然而，现代物理学的一个巨大分支却岌岌可危地建立在一个巨大的“巧合”之上——这东西实在是太诡异了。
这种巧合植根于我们看待和定义“质量”的方式。 它涉及到世界如何运作，并且是如此基础，以至于我们大多数人每天都会遇到它，但从未对此有过任何思考。 但对于世界领先的物理学家来说，这个巧合让他们困惑了几个世纪。 伽利略和牛顿都曾为此苦苦挣扎，但最终只能接受它的存在，却无法解释它。 爱因斯坦更进一步：他声称这是自然原理。 然后，基于这个“等效原理”（），他建立了迄今为止解释神秘引力的最佳理论——广义相对论。
然而，有一个问题。 如果我们想找到一些更好、更全面的理论，将引力与统治世界的其他力统一起来，等效原理就不可能存在。 我们必须破译这种巧合，或者更彻底地重新思考物理学应该如何发展。
等效原理有很多版本，但同样的原理仍然成立：引力场对物体的影响无法与加速运动的影响区分开来。 爱因斯坦的一个思想实验清楚地解释了这一点。 想象一下一个人站在地球上的电梯里。 是什么让他在地板上保持稳定？ 当然，重力无处不在。 现在，想象一下同一个人在同一部电梯里，只不过电梯位于浩瀚的宇宙深处，远离任何引力物体。 火箭将电梯推向与地球重力加速度相等的加速度。 乘客仍然可以稳稳地站在地板上，就像之前的情况一样。
为什么没有重力情况下情况是一样的呢？ 在这种情况下，阻止乘客漂浮的是他的惯性。 惯性是一切抵抗加速度的自然属性——当驾驶员踩下油门时，你会感觉到它把你推到椅背上。
在这两台电梯中，乘客都有一个共同的属性——质量。 但这两个质量来自两个完全不同的方面：前者是引力质量，是对引力的一定反应，导致物体在引力场中加速；后者是引力质量物理学家莫尔，是对引力的一定反应，导致物体在引力场中加速； 后者是惯性质量，体现了物体对加速度的抵抗力。 能力。
爱因斯坦提出的等效原理是他推导解释神秘引力的广义相对论的重要基石。图片来源：新科学家
两个质量在数值上总是完全相等，这是表述等效原理的另一种方式。 这种“巧合”具有深远的影响。 如果两个质量不相等，不同质量的物体将以不同的速度在地球上下落，而不是在相同的引力场中以相同的方式加速。 这种“自由落体的普遍性”首先由伽利略进行了测试，据说他在比萨斜塔上同时掉落了一袋羽毛和一袋铅（当然这只是传说）。 事实上，引力和惯性质量的等效性影响着整个宇宙的所有引力运动。 例如，如果引力质量略大于惯性质量物理学家莫尔，行星将围绕恒星旋转，而围绕星系的恒星旋转速度将比现在稍快。
然而，没有明显的理由说明两个质量应该相等。 但只有做出这个假设，爱因斯坦才能充分发展他关于拉伸和挤压时空的奇异想法，这个概念是他在 1905 年提出狭义相对论时首次引入的。爱因斯坦想象一个巨大的物体（例如一颗行星） ）压缩周围的空间，距离越近，压缩越大。 当一个物体落向地球表面时，它穿过压缩空间所需的时间变得越来越短——它似乎在加速。
奇怪的力量
到 1916 年，这个想法引导爱因斯坦发展了广义相对论。 在广义相对论中，引力只是物体在逐渐压缩的空间中以匀速运动而产生的“幻觉”。 没有引力，引力质量就变成了一个虚构的概念。 宇宙中只剩下一种质量仍能发挥作用，它赋予物体惯性。 等价原理背后隐含的“巧合”就这样消失了。
广义相对论极其准确，经受住了我们迄今为止所做的所有测试。 它可以准确预测天体位置，也被用于人造卫星的精确制导。 但它的一些怪癖仍然让物理学家感到不舒服。 在自然界中，物体之间的所有其他力都是通过极轻的粒子传递的。 例如，电磁力通过交换无质量光子在带电物体之间传递。 从表面上看，引力的作用方式似乎并没有什么不同，而且似乎也应该以这种方式来传递。
因此，统一引力和量子理论已成为尝试构建弦理论和其他所谓“万物理论”的主导思想。 但要将重力重新归类为真正的力，需要找到可以附着的东西，就像电磁力附着在电荷上一样。 换句话说，“真正的”重力需要附着在重力质量上，而重力质量必须与惯性质量分开。
这意味着，在通向“万物完美真理”的道路上必须迈出的第一步就是牺牲爱因斯坦所钟爱的等效原理。 英国剑桥大学理论物理学家本·格里帕奥斯（Ben ）表示：“任何量子引力理论都必须在某种程度上违反等效原理。”
那么应该怎么办呢？ 一种经过尝试和测试的方法是试图证明这两个质量并不完全相等，只是在数值上非常非常接近。 即使它们之间有最微小的差异，也意味着广义相对论只是一个近似值，这意味着必须有更深层次上更准确的理论。 德国不莱梅大学的克劳斯·拉 (Claus Lä) 表示：“如果有人发现了这种差异，我们将取得重大突破。”
实现这一突破的一种方法，类似于伽利略的“比萨斜塔实验”，就是测试自由落体和等效原理的其他推论的普遍性，希望能发现一些微妙的异常现象。 不过，到目前为止，基本上还没有人成功（见补充阅读《》）。
如果不同的物体在重力作用下以不同的速度下落，则等效原理被打破。 图片来源：/ZARM
与此同时，理论家们提供了另一条线索。 他们指出，无论爱因斯坦所说的“引力不存在”是否正确，目前还没有人能够提出一种令人信服的方法来解释惯性。 “我们不知道如何定义惯性，”格里帕奥斯说。 “我们只知道它一定与质量密切相关，但除非我们能够精确地定义它并知道如何测量它，否则我们无法给出一套理论来解释它。”
可以肯定的是，惯性并不全部来自质量的提供者——希格斯场。 2012年，物理学家仔细筛选了瑞士日内瓦附近欧洲核子研究中心大型强子对撞机的粒子碰撞碎片后，发现了希格斯场及其相应粒子存在的证据。 。 尽管希格斯场被认为为电子和夸克等基本粒子提供了质量，但当夸克结合成更重的粒子（例如构成普通物质的中子和质子）时，质量大于夸克质量的总和。 出去一千次。 这个额外的质量不是来自希格斯机制，而是来自将夸克聚集在一起的能量。 这两种效应必须以某种方式结合起来，并与其他事物结合起来，为物体提供抵抗加速运动的能力。 格里帕奥斯说：“希格斯机制不能单独承担赋予物体惯性的神秘作用。”
接下来做什么？ 斯蒂芬·霍金在 20 世纪 70 年代的工作提供了一个想法。 具有讽刺意味的是，霍金思想的基础是等效原理的严格推论。 霍金正在研究黑洞的性质，黑洞是一种密度难以想象的物体，其存在是广义相对论的核心预测。 霍金提出黑洞应该向外辐射，因为太空中不断产生的成对量子粒子会在黑洞附近分离，一个被黑洞吸进去，另一个被留在外面。 因此，加拿大物理学家 Unruh等人提出：如果重力和加速度真的是同一件事，那么任何在真空中加速的物体也应该发出类似的辐射。
与霍金辐射一样，昂鲁提出的辐射从未被明确检测到。 为了产生实验室检测到的辐射强度，物体的加速度必须非常高。 然而，一些人声称他们观察到了在粒子加速器的强磁场中加速的电子的辐射。
在Unruh辐射提出大约10年后，德国马克斯·普朗克地外物理研究所的天体物理学家伯纳德·赫施（ Hesch）和美国加州州立大学长滩分校的电气工程师阿方索·鲁达（ Rueda）意识到真空与物体之间的相互作用是不限于物体表面，而是作用于整个物体——会产生与物体运动方向相反的力。 他们率先将这种力与洛伦兹力进行类比，洛伦兹力是带电粒子在磁场中运动时感受到的力。 这相当于量子真空中的某种“电磁”相互作用。 用赫施的话说，“这似乎正是你想要的那种惯性。”
异常加速度
英国普利茅斯大学的迈克·麦卡洛克认为，这种相互作用正是打破等效原理所必需的。 对Unru辐射的一个预测是这样的——就像热物体发出的热辐射一样，Unru辐射在不同波长下也有不同的强度。 对于加速度很小的物体，其Unruh辐射对应的温度较低，并且将以超长波辐射为主。 如果加速度真的很小，一些辐射的波长将大于可观测宇宙的尺度，并且会被有效地截断。
在这种情况下，根据麦卡洛克2007年的计算，物体所受到的安鲁辐射总量将会减少，其所受到的与加速度相反方向的力也会减少。 结果，它的惯性变得更小，比标准牛顿运动定律更容易运动——这样，惯性和引力质量之间的联系就被切断了。
这种观点的问题在于它很难检验。 在地球这样的强引力环境中，小到足以产生可观测效应的加速度并不容易获得。 但在星系边缘等弱引力环境中，这种效应可能很容易看到。 事实上，麦卡洛克注意到大多数螺旋星系中出现的恒星运动异常，他认为这种机制可能解释另一个长期存在的宇宙谜团——暗物质（参见“补充阅读”）。
平心而论，这种观点并没有震惊世界。 Hesch和Rueda提出他们的机制后，NASA立即拨款支持他们进一步研究，他们还从私人筹集了约200万美元的研究经费。 但由于缺乏可以测试以证明他们的观点正确的预测，资金和兴趣很快就耗尽了。
尽管如此，即使是像拉默扎尔这样的保守派也认为我们不应该让这个想法从我们手中溜走。 “虽然我更喜欢弦理论，但这些‘真空相互作用’的想法并非没有优点，”他说。 “我们必须仔细观察它们，看看它们能否给我们带来新的方法来测试等等有效性原则。”
2010年，以巴西塔尔朱巴联邦大学维托里奥·德·洛伦奇（De）为首的三名巴西天文学家提出了一项测试计划。 他们建议使用旋转盘来抵消地球在太空中旋转和移动时的加速运动。 当加速度最小化时，圆盘的惯性应该减小，这意味着它的旋转速度应该比牛顿定律规定的要快。 虽然成本低，但他们无法筹集到资金进行实验。
除非有人完成实验证明等价原理是错误的，或者从理论上证明它一定是正确的，否则这个结是解不开的。 然而，如果最终引力质量真的是惯性质量的另一种形式——不管惯性是什么——那么就轮到弦理论被推上祭坛祭天了。 量子引力论。 通向“万物圆满真理”的道路也将更加曲折。 如果引力不是一种力，而确实是广义相对论所描述的时空弯曲造成的幻觉，那么我们必须从更深层次上理解是什么导致了这种时空弯曲。
这只是巧合吗？ 这一次，连科学都无法轻易反驳。
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编译自：《新科学家》：该走了
附加阅读 自由落体
不莱梅大学的“自由落体塔”高146米，像一枚等待发射的白色火箭矗立在德国北部的平原上。 该塔建于 1990 年，是应用空间技术和微重力中心 (ZARM) 的一部分。 它可以为各种实验提供长达9.3秒的自由落体（译者注：自由落体时间为4.74秒，9.3秒被来回弹出）。 到目前为止，铷和钾原子的自由落体实验表明，它们的运动与等效原理的预测没有什么不同。 两个原子下落时的加速度等于小数点前11位。
在美国西雅图华盛顿大学，埃里克·阿德尔伯格（Eric）和他的“Eöt-Wash”团队使用高精度扭力秤来比较由不同元素（包括铜、铍、铝和硅）制成的材料。 标准质量块的运动模式。 他们维持着这个实验的准确度记录——小数点后13位内没有发现违反等效原理的结果。
然而，总有一天这些地面实验将面临碰壁的危险。 “很难再改进仪器了，”阿德尔伯格说。 通过在重力小得多的环境中进行实验，可以更容易地发现与等效原理的偏差。 这项由法国牵头的任务计划于 2016 年发射，将研究由铂和铱制成的块体如何在太空微重力环境中移动。 ZARM 的克劳斯·拉梅扎尔 (Klaus ) 表示：“它的准确度将比地面实验室高 100 倍。”
他的团队正在“自由落体塔”中测试卫星的加速度计，并为卫星开发数据分析软件。 欧洲航天局还在评估一项更复杂的任务，称为时空和空间测试。 他们将在今年年底前决定是否投资该项目。
暗惯性
在 20 世纪 30 年代，我们发现星系在绕其他星系运行时并不遵守牛顿和爱因斯坦的引力定律。 几十年后，在观察单个螺旋星系的旋转时，发现了类似的现象——就好像有某种看不见的物质施加了更大的引力，导致我们能看到的物质旋转得更多。 很快。
这个想法现在已经成为主流：标准宇宙学教科书会告诉你，“暗物质”与普通物质的质量比高达 5 比 1。尽管粒子物理学家提出了几乎无限种的假设粒子来解释暗物质，但没有一个目前已被最终查明。
20世纪80年代，美国普林斯顿大学物理学家莫迪亚·米尔格罗姆提出了另一种观点：引力定律需要在星系边缘进行修正。 对于星系外围的恒星来说，它们以非常低的加速度运动，如果它们的惯性质量减小并且它们的引力质量不变，那么观察到的现象就可以解释——因为这样它们自然会运动得更快。 如果真空相互作用真的可以带来这样的效应，那么暗物质可能就是这种效应的产物。
