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據(jù)傳在16世紀(jì)末，伽利略曾在比薩斜塔上進(jìn)行自由落體實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了兩個(gè)不同質(zhì)量的鐵球同時(shí)落地，推翻了亞里士多德的臆斷。比薩斜塔實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)是檢驗(yàn)等效原理，即慣性質(zhì)量等于引力質(zhì)量，為牛頓建立萬(wàn)有引力理論、愛(ài)因斯坦建立廣義相對(duì)論奠定了基石。 中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)、研究員 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院常務(wù)副院長(zhǎng) 戳視頻 ↓↓↓ 到了今天，現(xiàn)代物理學(xué)大統(tǒng)一理論的最關(guān)鍵拼圖，是量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的最終統(tǒng)一，而這要求等效原理在某些極端條件下失效。對(duì)等效原理進(jìn)行更大范圍、更高精度的檢驗(yàn)，亦成為物理學(xué)的前沿課題。一起來(lái)聽(tīng)聽(tīng)中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)、研究員吳雪峰為我們講述宇宙版比薩斜塔實(shí)驗(yàn)是怎么回事兒？ 400多年前，伽利略在意大利比薩斜塔從上往下扔兩個(gè)鐵球，兩個(gè)不同的質(zhì)量的鐵球，結(jié)果是同時(shí)落地。這就是著名的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)。那我們所謂的宇宙版的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上指的是我們把實(shí)驗(yàn)中的地球引力替換成更大的，比如說(shuō)太陽(yáng)系或者說(shuō)銀河系的引力，兩個(gè)鐵球則替換成太陽(yáng)系外，甚至是銀河系外的不同的粒子。不同的粒子從同一個(gè)天體同時(shí)產(chǎn)生、發(fā)出，然后經(jīng)過(guò)茫茫宇宙，比如穿過(guò)銀河系，受到銀河系的引力，然后我們來(lái)觀察，它們最終是否同時(shí)落地，是否能夠同時(shí)到達(dá)地球或者地球上的探測(cè)器。宇宙版比薩斜塔試驗(yàn)，背后的物理原理，叫弱等效原理，也就是慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量是相等的。等效原理是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)，在具有相同加速度的引力場(chǎng)中，引力質(zhì)量及慣性質(zhì)量相等。等效原理有弱等效原理和強(qiáng)等效原理，其中弱等效是指觀測(cè)者不能在局部的區(qū)域內(nèi)分辨出由加速度所產(chǎn)生的慣性力或由物體所產(chǎn)生的引力。現(xiàn)代物理學(xué)有兩大基石性的理論，第一大理論就是量子力學(xué)，第二大理論是相對(duì)論，包括狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。但目前，描述宇宙宏觀天體的引力學(xué)，也就是廣義相對(duì)論和描述微觀的量子力學(xué)沒(méi)法統(tǒng)一。所以，物理學(xué)家們一直在追求一個(gè)物理學(xué)的大統(tǒng)一理論，一方面是物理學(xué)家們心里面就追求美，總覺(jué)得心里有遺憾，因?yàn)槲覀兿嘈沤K極理論肯定是能統(tǒng)一的；另一方面，從現(xiàn)實(shí)角度來(lái)講，比如說(shuō)我們的宇宙大爆炸，理論上天文學(xué)家已經(jīng)可以追溯到宇宙大爆炸的時(shí)刻，但在宇宙大爆炸的前多少秒，比如說(shuō)叫普朗克時(shí)標(biāo)，很短暫的一剎那，就那么一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間我們沒(méi)法追溯，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間段需要同時(shí)描述萬(wàn)有引力和描述量子力學(xué)，只有統(tǒng)一了以后你才能了解。所以，牛頓的萬(wàn)有引力相當(dāng)于以前的描述低速宇宙是一個(gè)近似，我們不是說(shuō)它錯(cuò)誤，它是一個(gè)近似，但是它沒(méi)法拓展到速度接近光速的宇宙，所以，如果我們所說(shuō)的四大力（引力、電磁力、弱核力和強(qiáng)核力）真的能夠統(tǒng)一的話，那么也意味著目前我們所認(rèn)識(shí)的宇宙，了解的這些規(guī)律也是一種近似，那么近似的話就意味著什么？這也意味著我們對(duì)一些基本假設(shè)，還存在著一些它到達(dá)不了的一些極限。所以，我們就要去探索這個(gè)基本假設(shè)，比如說(shuō)到了極端小或者極端大、極端低或者極端高的時(shí)候，它有可能是破缺的。一旦找到破缺，那么我們就有希望把這個(gè)四個(gè)力特別是量子力學(xué)和廣義相對(duì)論給統(tǒng)一起來(lái)。那為了完成這個(gè)目標(biāo)，我們就要去檢驗(yàn)弱等效原理。
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