两个同步的铁球
意大利科学家伽利略手持质量不同的两个铁球,一步步登上了比萨斜塔 。
只见他双手一松,两个铁球落向了地面,在撞击地面的一刹那,同时发出了声响 。塔下的人群被声响震动了,因为一个被人信奉了千载的铁律被打破了 。古希腊科学家亚里士多德曾经说,质量不同的物体,下落的速度也不同 。现在,伽利略用两个铁球推翻了这个铁律,人们怎能不为他喝彩呢!

文章插图
上面这一幕是科学历史上非常有名的故事,这个实验证实了伽利略的说法:无论物体的质量大小,组成成分如何,引力会使所有物体都以相同的加速度下落 。如今,这个物理原理被称为“等效原理”,它可以说是物理学知识大厦的一块重要的基石,即使是在爱因斯坦的相对论中,等效原理依然被认为是正确的,并得到使用 。
但是,伽利略实验的精确度并不算高 。因此当年伽利略从斜塔上扔下铁球时,两个铁球落在地面上的情形还有另一个版本的故事 。这个故事说,实际上两个铁球发出了间隔十分短的两个落地声,于是一些亚里士多德的支持者根据这两个声音反驳伽利略 。伽利略对此的解释是空气阻力的作用,让不同体积的铁球受到了不同的空气阻力,所以它们不会同时落地 。如果去掉了空气阻力等外界干扰因素,两个铁球肯定会同时落地 。
没有了空气阻力,等效原理就一定是正确的吗?1971年,站在没有大气的月球上,阿波罗15号的宇航员一只手握住铁锤,一只手捏着羽毛,在同一高度上同时松手,只见羽毛和铁锤都竖直下落,同时到达了月球表面 。这个实验雄辩地证明了伽利略是对的 。
现在,科学家通过安放在月球上的反光镜,使用激光测距技术,测量月球在地球引力场中的运动情况,并证明了等效原理在万亿分之几的高度精度下,依然是正确的 。如此高的精度,让人们几乎不用再怀疑这个原理了 。
一种微弱的引力
不过,某些“吹毛求疵”的科学家却并不这样想,这帮科学家是研究弦论的 。
弦论是最近一些年兴起的一种物理学理论,它把基本粒子解释成由许多无穷小的弦的振动产生,我们整个宇宙也都是无数的弦的振动以及相互作用所形成的 。这个理论可以解决现代物理中的一些难题,但是也有许多人对用微小的弦解释世界表示怀疑,毕竟弦的尺寸太微小,它和宏观世界之间隔着巨大的尺度鸿沟,根据弦论做出的许多理论预言,似乎都无法通过科学实验来加以检验 。而在科学上,如果理论不能得到证实,就不能得到承认 。
弦论学者预言,自然界中存在一个极其微弱的力,它不同于普通的万有引力 。当物质的组成成分不同时,这个力能够让引力发生微小的变化 。假如我们能够观察到不同成分的物质(质量相同)的引力是有变化的,就说明弦论的预言很可能是对的,弦论就有了实验的支持 。
现在,弦论研究者决定从等效原理上找到突破口,检验这个预言是否正确 。
根据弦论,如果这种新的引力确实存在,它也非常非常微弱 。我们知道,引力本身已经很微弱了,它只是电磁力的1/1036数量级 。比如,整个地球的质量产生的引力可以让铁钉停在桌面,但我们拿来一小块吸铁石,电磁力就可以轻松地把铁钉吸离桌面 。这就是说,电磁力对引力具有绝对优势 。而这种新的引力比普通的引力还要小得多,大概只是普通引力的1/1013数量级 。
更加玄妙的是,就像吸铁石的磁力只对铁镍质物体起作用一样,这种预言中的引力也只对某种物体起作用,而对其他物体不起作用,也就是说,物体组成成分不同,引力就不一样 。这是因为,这种新的力能够与物质中的电磁能相互作用 。
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