物理学基本原理(这一物理学基本原理，通过了最精确的检验)
Posted
篇首语：存储阳光，必有远芳；心中有暖，又何惧人生荒凉。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了物理学基本原理(这一物理学基本原理，通过了最精确的检验)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
物理学基本原理(这一物理学基本原理，通过了最精确的检验)
物理学中存在许多有悖我们日常直觉的事实，一个典型的例子是：两个质量不同的物体在真空中的同一高度同时落下时，会同时落到地面。这一违反直觉的例子，恰恰表明了我们日常熟悉的引力，实际上是一种非常特殊的相互作用，它可能蕴藏着许多深刻的奥秘。
广义相对论的基础
早在17世纪，伽利略就推断真空中的所有物体都以相同的速度下落。相传，他曾提出过要将两个质量不同的物体，同时从比萨斜塔的塔顶扔下去的实验。不过，这一想法似乎并没有付诸实际。
后来，牛顿在万有引力理论中指出，两个有质量的物体之间的引力，与它们引力质量的乘积成正比。此外，他还在第二运动定律中，用惯性质量将物体的加速度与作用在物体上的力联系了起来。牛顿假设，惯性质量和引力质量是相等的，并预测在地球或其他大质量物体的引力场中，一个有质量物体的运动应该与它的质量无关。
这种最初由伽利略和牛顿洞见到的自由落体的普适性，在1907年被爱因斯坦提升为一个原理，即弱等效原理。弱等效原理描述了两个组成或者质量不同的物体，在相同的引力场中会以相同的速度下落。同样，它也强调了惯性质量与引力质量的等效性。
1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，而他对广义相对论的整个建构，都依赖于弱等效原理的有效性。因此，验证弱等效原理也成了验证广义相对论的方法之一。
太空卫星上的最高精度：10⁻¹⁵
由于广义相对论无法解释已观测到的量子现象，不断有物理学家试图在各种场景下，以更高的精度水平来验证这一理论。近年来，尽管科学家已经做到了以10⁻¹³的精度来对其加以验证。但它仍然有可能在更高的精度水平上被违反。
现在，在一项新的研究中，一个研究团队对弱等效原理进行了迄今为止最精确的检验。他们在MICROSCOPE卫星上进一步将这一理论推向极限，以10⁻¹⁵的精度验证了弱等效原理。
MICROSCOPE卫星是一颗绕地球运行的重300千克的微型卫星。为了避免实验结果受到影响，卫星上配备了冷气微推进器，能够补偿最微小的轨道扰动。2016年，它首次在太空中测试自由落体的普适性，其实验精度远远高于任何在地球上进行的实验。
以检验等效原理为目标的MICROSCOPE卫星，于2016年发射升空。（图／CNES）
之所以要在太空中进行自由落体实验，是因为在那里，物体不会像在地球上那样遇到的扰动（特别是地震扰动）的影响。研究人员可以用几个月的时间，来观察两个不同的物体在轨道卫星上，进行几乎完美的自由落体运动，从而通过分析物体的加速度来测试弱等效原理。
太空里的自由落体实验
在新的研究中，对弱等效原理的检验是通过测量厄特沃什比率（Eötvös ratio）来实现的。厄特沃什比率是一个与两个自由落体物体的加速度有关的比率，它是两个有质量物体的加速度之差与它们的平均加速度之间的比值。
在实验中，MICROSCOPE团队选用了两种不同的材料，制成了两个同心圆柱形试验质量——一个由钛制成，另一个由铂铑合金制成。他们用可以通过静电力来精确控制物体的仪器，使两个试验质量维持在在相对相同的位置。接着，研究人员通过寻找势差，来分析两个试验质量的加速度差异。如果弱等效原理在这一精度级别上仍然成立，那么这两个试验质量将受到相同的加速度，即使它们的质量或组成不同。
2017年，MICROSCOPE团队发表了他们的首个结果，表明在厄特沃什比率不超过10⁻¹⁴的水平上，不存在弱等效原理被违反的迹象。在MICROSCOPE卫星于2018年任务结束后，研究人员继续分析数据。现在，他们得到的最终结果证实了先前的发现。
新的结果在精确度上有了进一步的提高，它表明在厄特沃什比率不超过10⁻¹⁵的情况下，没有任何违反弱等效原理的情况。这打消了目前对广义相对论在这一精度水平上的偏差顾虑，再次证明了——爱因斯坦是对的！
展望10⁻¹⁷
这一结果是对弱等效原理设置的迄今为止最严格的限制。它标志着，未来的任何广义相对论的替代理论，都需要在这样的精度水平上不违反弱等效原理。
此外，这项工作也为使用卫星实验来对弱等效原理进行更精确的测试铺平了道路。科学家希望，未来通过对实验仪器进行升级，能够在10⁻¹⁷的水平上检测弱等效原理，但这样的升级需要我们耐心等待。研究人员表示，至少在接下来的10到20年时间里，MICROSCOPE团队这次所得到的结果，将会一直是弱等效原理的最精确约束。
参考来源：
https://www.aps.org/newsroom/pressreleases/microscope.cfm
https://physics.aps.org/articles/v15/94
https://physics.aps.org/articles/v15/95
https://microscope.cnes.fr/en/MICROSCOPE/index.htm
封面图&首图：ONERA
相关参考
投影仪简单光路图(透镜是基本光学元件，遵从折射原理——初中物理解析之四《透镜》)
折射是光世界的基本现象，透镜就是用折射原理制作的控光元件。人的眼睛就是一个精巧的变焦距系统，由于其自动化程度很高，表现得很神奇。本章将从认识透镜开始，逐步研究其成像规律，还有人眼视物原理及矫问题。透镜...
...、可控制性好等特点，已成为生物处理方法的主体。一、基本原理活性污泥是由细菌、真菌、原生动物、后生动物等微生物群体与污水中的悬浮物质、胶体物质混杂在一起所形成的、具有很强的吸附分解有机物能力和良好沉降性...
放大镜的原理是什么(初中物理导学：第5篇《凸透镜成像》知识点（老师和学生都能用）)
...使学生获得一些知识的理解基础。提高学习兴趣，本章的基本知识尽
物理学基本原理物理定律在一切参考系中都具有相同的形式，这就是我们所说的相对性原理。作为物理学最基本的原理之一，相对性原理指出不存在“绝对的参考系”，即在一个参考系中建立的物理定律，在适当的坐标变换后，...
...的第一篇文章后，并没有立即引起很大的反响。但是德国物理学的权威人士普朗克注意到了他的文章，认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美，正是由于普朗克的推动，相对论很快成为人们研究和讨论的课题，爱因斯坦也受到...
指针电压表原理(初三物理：“电压电阻”易错知识点大全，提分必备)
...用了科学研究方法“类比法”（二）电压的单位1.国际（基本）单位：V常用单位：kV、mV、μV换算关系：1
测平均速度的实验原理和实验器材(八上物理丨机械运动知识点，超详细解析+月考题，还没掌握的赶快)
...错的同学，直接跳到后面做题吧~长度和时间的测量一、基本概念：1.国际单位制①测量某个物理量时用来进行比较的标准量叫单位。②国际计量组织制定的一套国际统一的单位叫国际单位制。③我国法定的单位采用国际单位制单...
测平均速度的实验原理和实验器材(八上物理丨机械运动知识点，超详细解析+月考题，还没掌握的赶快)
...错的同学，直接跳到后面做题吧~长度和时间的测量一、基本概念：1.国际单位制①测量某个物理量时用来进行比较的标准量叫单位。②国际计量组织制定的一套国际统一的单位叫国际单位制。③我国法定的单位采用国际单位制单...
废水处理包括哪几种方法(①图读懂——废水物理处理的基本方法和适用范围)
1、废水物理处理的基本方法和适用范围2、废水物理处理的基本原理3、废水化学处理的基本方法和适用范围4、废水物理化学处理的基本方法和适用范围
...目录第1章改变的谜团专家也感到困惑我们不了解的事情基本素材第2章什么阻碍着你做出改变为什么人们会主动做出改变？避免改变的好处什么因素阻碍了我们改变的意图？那些我们所理解的能引起改变的事第3章当生命被改变人...