@ 2018.06.14 , 10:00

以目前最高精度验证了爱因斯坦的等效原理

科学家利用整个太阳系作为实验室,借助最先进的计时手段,验证了爱因斯坦著名的“自由落体电梯”的思想实验——它是广义相对论核心思想的来源之一。

广义相对论涉及质量,重力,空间和时间的基础知识——尽我们所能地验证其准确性,对于我们的物理学基础至关重要。

启发了爱因斯坦的电梯理想实验——正式的说法叫等效原理——内容是这样的,如果你发现自己在一个密封的无窗电梯中不受重力地漂浮,你无法确定自己到底是在外太空,还是正自由落体冲向地表。至少在坠毁之前你无法知道。

以目前最高精度验证了爱因斯坦的等效原理

你可能永远不会发现自己到底处于哪种境遇下,但另一方面,相对论的基本原理告诉我们,无论你身在何处,或者你的行动速度如何,同一物理定律都会产生同样的效果。故而,加速运动和重力场是等效的,这就是爱因斯坦天才的大脑所意识到的东西

在这一思想中有一个相互联系的概念,那就是在这个想象中的自由落体式电梯中的一切都会以同样的加速度加速——你,刚刚放下的咖啡,周围的人, 等等。

为了验证这一点,美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家使用地球作为浮体和太阳系作为电梯竖井。

为了测量加速度,研究人员找到了我们目前最先进的原子钟:4个氢原子脉冲计时器和8个铯原子钟。通过比较14年中这些时钟的读数,该团队不同发现时间差是0.00000022±0.00000025。

这个数字非常接近于0,是目前最好的结果;因为如果爱因斯坦是对的,所有这些时钟都以相同的速度在空间中下落,那么这个值应该就是0。

换句话说,尽管太阳,木星和其他天体都对我们有引力作用,原子钟的“滴答”节奏也保持不变——就像我们想象出的电梯一样,电梯井内的其他物体也相对于彼此保持静止。

这不是第一次去验证等效原理,但却是精度最高的一次,因为我们又提升了原子钟的精确性。

“我们做这项工作的主要原因是为了展示原子钟是如何用来服务于基础物理的,”团队成员Bijunath Patla说,“特别是对广义相对论的理论基础。”

未来还可以进一步提升时间的测量精度。

最重要的是,对等效原理进行更高精度的测量验证,也意味着我们可以更精确地测量宇宙空间和时间的其他一些基本内容,原子钟在这一方面发挥着重要作用。

在广义相对论和量子力学之间仍然存在着无法协调之处,这在未来的研究中是值得关注的。目前,爱因斯坦再得一分。

详细内容发表在Nature Physics上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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