然而，現代物理學的一個巨大分支卻岌岌可危地建立在一個巨大的“巧合”之上——這東西實在是太詭異了。
這種巧合植根于我們看待和定義“質量”的方式。 它涉及到世界如何運作，并且是如此基礎，以至于我們大多數人每天都會遇到它，但從未對此有過任何思考。 但對于世界領先的物理學家來說，這個巧合讓他們困惑了幾個世紀。 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。 愛因斯坦更進一步：他聲稱這是自然原理。 然后，基于這個“等效原理”（），他建立了迄今為止解釋神秘引力的最佳理論——廣義相對論。
然而，有一個問題。 如果我們想找到一些更好、更全面的理論，將引力與統治世界的其他力統一起來，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應該如何發展。
等效原理有很多版本，但同樣的原理仍然成立：引力場對物體的影響無法與加速運動的影響區分開來。 愛因斯坦的一個思想實驗清楚地解釋了這一點。 想象一下一個人站在地球上的電梯里。 是什么讓他在地板上保持穩定？ 當然，重力無處不在。 現在，想象一下同一個人在同一部電梯里，只不過電梯位于浩瀚的宇宙深處，遠離任何引力物體。 火箭將電梯推向與地球重力加速度相等的加速度。 乘客仍然可以穩穩地站在地板上，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——當駕駛員踩下油門時，你會感覺到它把你推到椅背上。
在這兩臺電梯中，乘客都有一個共同的屬性——質量。 但這兩個質量來自兩個完全不同的方面：前者是引力質量，是對引力的一定反應，導致物體在引力場中加速；后者是引力質量物理學家莫爾，是對引力的一定反應，導致物體在引力場中加速； 后者是慣性質量，體現了物體對加速度的抵抗力。 能力。
愛因斯坦提出的等效原理是他推導解釋神秘引力的廣義相對論的重要基石。圖片來源：新科學家
兩個質量在數值上總是完全相等，這是表述等效原理的另一種方式。 這種“巧合”具有深遠的影響。 如果兩個質量不相等，不同質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”首先由伽利略進行了測試，據說他在比薩斜塔上同時掉落了一袋羽毛和一袋鉛（當然這只是傳說）。 事實上，引力和慣性質量的等效性影響著整個宇宙的所有引力運動。 例如，如果引力質量略大于慣性質量物理學家莫爾，行星將圍繞恒星旋轉，而圍繞星系的恒星旋轉速度將比現在稍快。
然而，沒有明顯的理由說明兩個質量應該相等。 但只有做出這個假設，愛因斯坦才能充分發展他關于拉伸和擠壓時空的奇異想法，這個概念是他在 1905 年提出狹義相對論時首次引入的。愛因斯坦想象一個巨大的物體（例如一顆行星） ）壓縮周圍的空間，距離越近，壓縮越大。 當一個物體落向地球表面時，它穿過壓縮空間所需的時間變得越來越短——它似乎在加速。
奇怪的力量
到 1916 年，這個想法引導愛因斯坦發展了廣義相對論。 在廣義相對論中，引力只是物體在逐漸壓縮的空間中以勻速運動而產生的“幻覺”。 沒有引力，引力質量就變成了一個虛構的概念。 宇宙中只剩下一種質量仍能發揮作用，它賦予物體慣性。 等價原理背后隱含的“巧合”就這樣消失了。
廣義相對論極其準確，經受住了我們迄今為止所做的所有測試。 它可以準確預測天體位置，也被用于人造衛星的精確制導。 但它的一些怪癖仍然讓物理學家感到不舒服。 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，而且似乎也應該以這種方式來傳遞。
因此，統一引力和量子理論已成為嘗試構建弦理論和其他所謂“萬物理論”的主導思想。 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量上，而重力質量必須與慣性質量分開。
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。 英國劍橋大學理論物理學家本·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。”
那么應該怎么辦呢？ 一種經過嘗試和測試的方法是試圖證明這兩個質量并不完全相等，只是在數值上非常非常接近。 即使它們之間有最微小的差異，也意味著廣義相對論只是一個近似值，這意味著必須有更深層次上更準確的理論。 德國不萊梅大學的克勞斯·拉 (Claus L?) 表示：“如果有人發現了這種差異，我們將取得重大突破。”
實現這一突破的一種方法，類似于伽利略的“比薩斜塔實驗”，就是測試自由落體和等效原理的其他推論的普遍性，希望能發現一些微妙的異常現象。 不過，到目前為止，基本上還沒有人成功（見補充閱讀《》）。
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，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量密切相關，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量的提供者——希格斯場。 2012年，物理學家仔細篩選了瑞士日內瓦附近歐洲核子研究中心大型強子對撞機的粒子碰撞碎片后，發現了希格斯場及其相應粒子存在的證據。 。 盡管希格斯場被認為為電子和夸克等基本粒子提供了質量，但當夸克結合成更重的粒子（例如構成普通物質的中子和質子）時，質量大于夸克質量的總和。 出去一千次。 這個額外的質量不是來自希格斯機制，而是來自將夸克聚集在一起的能量。 這兩種效應必須以某種方式結合起來，并與其他事物結合起來，為物體提供抵抗加速運動的能力。 格里帕奧斯說：“希格斯機制不能單獨承擔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 70 年代的工作提供了一個想法。 具有諷刺意味的是，霍金思想的基礎是等效原理的嚴格推論。 霍金正在研究黑洞的性質，黑洞是一種密度難以想象的物體，其存在是廣義相對論的核心預測。 霍金提出黑洞應該向外輻射，因為太空中不斷產生的成對量子粒子會在黑洞附近分離，一個被黑洞吸進去，另一個被留在外面。 因此，加拿大物理學家 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該發出類似的輻射。
與霍金輻射一樣，昂魯提出的輻射從未被明確檢測到。 為了產生實驗室檢測到的輻射強度，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家伯納德·赫施（ Hesch）和美國加州州立大學長灘分校的電氣工程師阿方索·魯達（ Rueda）意識到真空與物體之間的相互作用是不限于物體表面，而是作用于整個物體——會產生與物體運動方向相反的力。 他們率先將這種力與洛倫茲力進行類比，洛倫茲力是帶電粒子在磁場中運動時感受到的力。 這相當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
英國普利茅斯大學的邁克·麥卡洛克認為，這種相互作用正是打破等效原理所必需的。 對Unru輻射的一個預測是這樣的——就像熱物體發出的熱輻射一樣，Unru輻射在不同波長下也有不同的強度。 對于加速度很小的物體，其Unruh輻射對應的溫度較低，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，并且會被有效地截斷。
在這種情況下，根據麥卡洛克2007年的計算，物體所受到的安魯輻射總量將會減少，其所受到的與加速度相反方向的力也會減少。 結果，它的慣性變得更小，比標準牛頓運動定律更容易運動——這樣，慣性和引力質量之間的聯系就被切斷了。
這種觀點的問題在于它很難檢驗。 在地球這樣的強引力環境中，小到足以產生可觀測效應的加速度并不容易獲得。 但在星系邊緣等弱引力環境中，這種效應可能很容易看到。 事實上，麥卡洛克注意到大多數螺旋星系中出現的恒星運動異常，他認為這種機制可能解釋另一個長期存在的宇宙謎團——暗物質（參見“補充閱讀”）。
平心而論，這種觀點并沒有震驚世界。 Hesch和Rueda提出他們的機制后，NASA立即撥款支持他們進一步研究，他們還從私人籌集了約200萬美元的研究經費。 但由于缺乏可以測試以證明他們的觀點正確的預測，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為我們不應該讓這個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’的想法并非沒有優點，”他說。 “我們必須仔細觀察它們，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，以巴西塔爾朱巴聯邦大學維托里奧·德·洛倫奇（De）為首的三名巴西天文學家提出了一項測試計劃。 他們建議使用旋轉盤來抵消地球在太空中旋轉和移動時的加速運動。 當加速度最小化時，圓盤的慣性應該減小，這意味著它的旋轉速度應該比牛頓定律規定的要快。 雖然成本低，但他們無法籌集到資金進行實驗。
除非有人完成實驗證明等價原理是錯誤的，或者從理論上證明它一定是正確的，否則這個結是解不開的。 然而，如果最終引力質量真的是慣性質量的另一種形式——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，而確實是廣義相對論所描述的時空彎曲造成的幻覺，那么我們必須從更深層次上理解是什么導致了這種時空彎曲。
這只是巧合嗎？ 這一次，連科學都無法輕易反駁。
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編譯自：《新科學家》：該走了
附加閱讀 自由落體
不萊梅大學的“自由落體塔”高146米，像一枚等待發射的白色火箭矗立在德國北部的平原上。 該塔建于 1990 年，是應用空間技術和微重力中心 (ZARM) 的一部分。 它可以為各種實驗提供長達9.3秒的自由落體（譯者注：自由落體時間為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驗表明，它們的運動與等效原理的預測沒有什么不同。 兩個原子下落時的加速度等于小數點前11位。
在美國西雅圖華盛頓大學，埃里克·阿德爾伯格（Eric）和他的“E?t-Wash”團隊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。 標準質量塊的運動模式。 他們維持著這個實驗的準確度記錄——小數點后13位內沒有發現違反等效原理的結果。
然而，總有一天這些地面實驗將面臨碰壁的危險。 “很難再改進儀器了，”阿德爾伯格說。 通過在重力小得多的環境中進行實驗，可以更容易地發現與等效原理的偏差。 這項由法國牽頭的任務計劃于 2016 年發射，將研究由鉑和銥制成的塊體如何在太空微重力環境中移動。 ZARM 的克勞斯·拉梅扎爾 (Klaus ) 表示：“它的準確度將比地面實驗室高 100 倍。”
他的團隊正在“自由落體塔”中測試衛星的加速度計，并為衛星開發數據分析軟件。 歐洲航天局還在評估一項更復雜的任務，稱為時空和空間測試。 他們將在今年年底前決定是否投資該項目。
暗慣性
在 20 世紀 30 年代，我們發現星系在繞其他星系運行時并不遵守牛頓和愛因斯坦的引力定律。 幾十年后，在觀察單個螺旋星系的旋轉時，發現了類似的現象——就好像有某種看不見的物質施加了更大的引力，導致我們能看到的物質旋轉得更多。 很快。
這個想法現在已經成為主流：標準宇宙學教科書會告訴你，“暗物質”與普通物質的質量比高達 5 比 1。盡管粒子物理學家提出了幾乎無限種的假設粒子來解釋暗物質，但沒有一個目前已被最終查明。
20世紀80年代，美國普林斯頓大學物理學家莫迪亞·米爾格羅姆提出了另一種觀點：引力定律需要在星系邊緣進行修正。 對于星系外圍的恒星來說，它們以非常低的加速度運動，如果它們的慣性質量減小并且它們的引力質量不變，那么觀察到的現象就可以解釋——因為這樣它們自然會運動得更快。 如果真空相互作用真的可以帶來這樣的效應，那么暗物質可能就是這種效應的產物。
