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从比萨斜塔到月球,伽利略错了吗?

2004-05-19 17:23 桌面版 正體 0
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这是发生在 400年前的故事……伽利略(Galileo Galilei)带着不同大小、不同重量、不同材质的铁球、金块、银块、木头斗东西,来到义大利著名的比萨斜塔(Leaning Tower of Pisa)上,看看哪一种东西下落的速度比较快。结果呢?这些东西竟然同时抵达地面!伽利略因此大发现而获得一个新的物理原则:无论东西大小、重量与材质,作用在这些物体上的重力加速度都是相同的!这就是著名的“自由落体(Universality of Free Fall)”实验,或是称为“等效原理(Equivalence Principle)”,是现代物理的基础之一;甚至连爱因斯坦的广义相对论,都是建立在“假设等效原理是正确”的基础上。不过,如果等效原理是错的呢?

目前有些科学家认为:对不同成分的物体而言,等效原理或许有非常微小的差异。若果如此,那么相对论或许就得修正了,甚至物理学上将有重大变革。此外物理学家已对广义相对论及量子力学两者间的差异迷惑很久了。对很大的尺度而言,广义相对论是成功的;对很小的尺度而言,量子力学是成功的。但科学家总想将所有的事情“统一”,希望只用一种“真理”就可以解释所有现象。

美国航太总署(NASA)喷射推进实验室(JPL)科学家 Slava Turyshev 等人目前正在进行一项不一样的“月球雷射测距(Lunar laser ranging)”实验,发射雷射光束至月球来测试等效原理及广义相对论的正确性。Turyshev等人的实验类似比萨斜塔的自由落体实验,只不过现在是拿更大的地球和月球来取代铁球,因月球与地球的组成成分不同,质量大小不同,因此若等效原理真有材质与质量的变因,也可将此变因放大许多倍来检测。 Turyshev 等人将制造精确度达 1~2 公厘的仪器,测量月球和地球轨道位置的偏差量,想藉此了解地球与月球加速“落向”太阳的速度是否相同?如是,则等效原理与相对论可继续维持它们的崇高地位;若否,那么物理界势必有一番大变动。

Turyshev 等人将发展的技术,称为“阿帕契重点天文台月球雷射测距设施(Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation)”,简称即为 APOLLO。APOLLO会将雷射脉冲打向月球再回到地球,利用阿帕契重点天文台口径3.5米的望远镜侦测雷射光,所侦测到的雷射光来回时间误差不得超过兆分之一秒。已知光速为每秒30万公里,则APOLLO望远镜与月表反射镜之间的距离便可计算出来(距离=速度x雷射来回时间/2)。APOLLO 同时安装有超导重力仪与精密的GPS定位系统,来避免地球板块运动的影响,而观测地点则挑选大气扰动宁静处,避免雷射光被地球大气扰动而偏折,另外还安置气压计阵列来记录大气的稳定度。

如果真的能在这个实验中找到等效原理的微小差异,科学家或许真的可以将所有的现象予以统一,也就是传说已久的“万有理论(Theory of Everything)”或许真能实现。

(TAS转载自:台北天文馆)


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