從比薩斜塔到月球，伽利略錯了嗎？

這是發生在 400年前的故事……伽利略（Galileo Galilei）帶著不同大小、不同重量、不同材質的鐵球、金塊、銀塊、木頭斗東西，來到義大利著名的比薩斜塔（Leaning Tower of Pisa）上，看看哪一種東西下落的速度比較快。結果呢？這些東西竟然同時抵達地面！伽利略因此大發現而獲得一個新的物理原則：無論東西大小、重量與材質，作用在這些物體上的重力加速度都是相同的！這就是著名的「自由落體（Universality of Free Fall）」實驗，或是稱為「等效原理（Equivalence Principle）」，是現代物理的基礎之一；甚至連愛因斯坦的廣義相對論，都是建立在「假設等效原理是正確」的基礎上。不過，如果等效原理是錯的呢？

目前有些科學家認為：對不同成分的物體而言，等效原理或許有非常微小的差異。若果如此，那麼相對論或許就得修正了，甚至物理學上將有重大變革。此外物理學家已對廣義相對論及量子力學兩者間的差異迷惑很久了。對很大的尺度而言，廣義相對論是成功的；對很小的尺度而言，量子力學是成功的。但科學家總想將所有的事情「統一」，希望只用一種「真理」就可以解釋所有現象。

美國航太總署（NASA）噴射推進實驗室（JPL）科學家 Slava Turyshev 等人目前正在進行一項不一樣的「月球雷射測距（Lunar laser ranging）」實驗，發射雷射光束至月球來測試等效原理及廣義相對論的正確性。Turyshev等人的實驗類似比薩斜塔的自由落體實驗，只不過現在是拿更大的地球和月球來取代鐵球，因月球與地球的組成成分不同，質量大小不同，因此若等效原理真有材質與質量的變因，也可將此變因放大許多倍來檢測。 Turyshev 等人將製造精確度達 1∼2 公厘的儀器，測量月球和地球軌道位置的偏差量，想藉此瞭解地球與月球加速「落向」太陽的速度是否相同？如是，則等效原理與相對論可繼續維持它們的崇高地位；若否，那麼物理界勢必有一番大變動。

Turyshev 等人將發展的技術，稱為「阿帕契重點天文臺月球雷射測距設施（Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation）」，簡稱即為 APOLLO。APOLLO會將雷射脈衝打向月球再回到地球，利用阿帕契重點天文臺口徑3.5米的望遠鏡偵測雷射光，所偵測到的雷射光來回時間誤差不得超過兆分之一秒。已知光速為每秒30萬公里，則APOLLO望遠鏡與月表反射鏡之間的距離便可計算出來（距離＝速度x雷射來回時間/2）。APOLLO 同時安裝有超導重力儀與精密的GPS定位系統，來避免地球板塊運動的影響，而觀測地點則挑選大氣擾動寧靜處，避免雷射光被地球大氣擾動而偏折，另外還安置氣壓計陣列來記錄大氣的穩定度。

如果真的能在這個實驗中找到等效原理的微小差異，科學家或許真的可以將所有的現象予以統一，也就是傳說已久的「萬有理論（Theory of Everything）」或許真能實現。

(TAS轉載自：臺北天文館)