物理學中存在許多有悖我們日常直覺的事實，一個典型的例子是：兩個質量不同的物體在真空中的同一高度同時落下時，會同時落到地面。這一違反直覺的例子，恰恰表明了我們日常熟悉的引力，實際上是一種非常特殊的相互作用，它可能蘊藏著許多深刻的奧秘。

廣義相對論的基礎

早在 17 世紀，伽利略就推斷真空中的所有物體都以相同的速度下落。相傳，他曾提出過要將兩個質量不同的物體，同時從比薩斜塔的塔頂扔下去的實驗。不過，這一想法似乎并沒有付諸實際。

后來，牛頓在萬有引力理論中指出，兩個有質量的物體之間的引力，與它們引力質量的乘積成正比。此外，他還在第二運動定律中，用慣性質量將物體的加速度與作用在物體上的力聯系了起來。牛頓假設，慣性質量和引力質量是相等的，并預測在地球或其他大質量物體的引力場中，一個有質量物體的運動應該與它的質量無關。

這種最初由伽利略和牛頓洞見到的自由落體的普適性，在 1907 年被愛因斯坦提升為一個原理，即弱等效原理。弱等效原理描述了兩個組成或者質量不同的物體，在相同的引力場中會以相同的速度下落。同樣，它也強調了慣性質量與引力質量的等效性。

1915 年，愛因斯坦發表了廣義相對論，而他對廣義相對論的整個建構，都依賴于弱等效原理的有效性。因此，驗證弱等效原理也成了驗證廣義相對論的方法之一。

太空衛星上的最高精度：10 ¹

由于廣義相對論無法解釋已觀測到的量子現象，不斷有物理學家試圖在各種場景下，以更高的精度水平來驗證這一理論。近年來，盡管科學家已經做到了以 10 ¹³ 的精度來對其加以驗證。但它仍然有可能在更高的精度水平上被違反。

現在，在一項新的研究中，一個研究團隊對弱等效原理進行了迄今為止最精確的檢驗。他們在 MICROSCOPE 衛星上進一步將這一理論推向極限，以 10 ¹ 的精度驗證了弱等效原理。

MICROSCOPE 衛星是一顆繞地球運行的重 300 千克的微型衛星。為了避免實驗結果受到影響，衛星上配備了冷氣微推進器，能夠補償最微小的軌道擾動。2016 年，它首次在太空中測試自由落體的普適性，其實驗精度遠遠高于任何在地球上進行的實驗。

以檢驗等效原理為目標的 MICROSCOPE 衛星，于 2016 年發射升空。（圖／CNES）

之所以要在太空中進行自由落體實驗，是因為在那里，物體不會像在地球上那樣遇到的擾動（特別是地震擾動）的影響。研究人員可以用幾個月的時間，來觀察兩個不同的物體在軌道衛星上，進行幾乎完美的自由落體運動，從而通過分析物體的加速度來測試弱等效原理。

太空里的自由落體實驗

在新的研究中，對弱等效原理的檢驗是通過測量厄特沃什比率（Eötvös ratio）來實現的。厄特沃什比率是一個與兩個自由落體物體的加速度有關的比率，它是兩個有質量物體的加速度之差與它們的平均加速度之間的比值。

在實驗中，MICROSCOPE 團隊選用了兩種不同的材料，制成了兩個同心圓柱形試驗質量——一個由鈦制成，另一個由鉑銠合金制成。他們用可以通過靜電力來精確控制物體的儀器，使兩個試驗質量維持在在相對相同的位置。接著，研究人員通過尋找勢差，來分析兩個試驗質量的加速度差異。如果弱等效原理在這一精度級別上仍然成立，那么這兩個試驗質量將受到相同的加速度，即使它們的質量或組成不同。

2017 年，MICROSCOPE 團隊發表了他們的首個結果，表明在厄特沃什比率不超過 10 ¹ 的水平上，不存在弱等效原理被違反的跡象。在 MICROSCOPE 衛星于 2018 年任務結束后，研究人員繼續分析數據。現在，他們得到的最終結果證實了先前的發現。

新的結果在精確度上有了進一步的提高，它表明在厄特沃什比率不超過10 ¹ 的情況下，沒有任何違反弱等效原理的情況。這打消了目前對廣義相對論在這一精度水平上的偏差顧慮，再次證明了——愛因斯坦是對的！

展望 10 ¹

這一結果是對弱等效原理設置的迄今為止最嚴格的限制。它標志著，未來的任何廣義相對論的替代理論，都需要在這樣的精度水平上不違反弱等效原理。

此外，這項工作也為使用衛星實驗來對弱等效原理進行更精確的測試鋪平了道路。科學家希望，未來通過對實驗儀器進行升級，能夠在 10 ¹ 的水平上檢測弱等效原理，但這樣的升級需要我們耐心等待。研究人員表示，至少在接下來的 10 到 20 年時間里，MICROSCOPE 團隊這次所得到的結果，將會一直是弱等效原理的最精確約束。