太空中做伽利略落体实验会怎样？两年跟踪后发现速度差异微乎其微

根据爱因斯坦的广义相对论，在没有空气阻力的情况下，受到地球重力作用的所有物体，无论其质量如何，都应以相同的速度下降。

早在1589年，伽利略就进行了著名的落体实验，证明不同质量的球从高处落下会同时着地。在此之前广为接受的亚里士多德的观点被推翻了，亚里士多德认为物体下落速度与物体重量成正比。

尽管如此，直到现在一些物理学家仍然认为，在特定的情况下，不同物体下落的速度可能会稍快一些，也可能稍慢一些，他们想法设法去发现是否有不符合广义相对论的现象出现。在《物理评论快报》12月发表的有关研究中，法国物理学家讲述了可能是迄今为止最雄心勃勃的引力测试。

他们进行了一项从太空中掉落物体的实验。该研究成员之一、巴黎天文台的物理学家奥雷连·希斯解释说，一旦你进入太空，你可以尝试把物体扔出去，它们将在很长一段时间内处于自由落体状态。你观察两个物体下落的时间越长，它们之间的差异就可能越明显。

在实验中，研究人员将两个金属圆柱体固定在一个名为“显微镜”的卫星内，将它们发射到低地球轨道，然后对圆柱体如绕地球下落两年的过程进行了测量。

在卫星内部，他们使用安全带来固定圆柱体，每个圆柱体由不同的金属合金制成。当卫星在地球上空700公里环绕时，智能安全带能够测量保持每个圆柱体就位所需的力。如果一个圆柱体需要更大的力来保持静止，这将表明它的自由落体加速度比另一个圆柱体要快。如果重力作用存在偏差，这几年下落过程中记录的数据肯定会揭示这一点。‘

然而实验结果并非如此。物理学家发现，两个圆柱体以相同的速度坠落，彼此相差极其微小，不到百分之一的万亿分之二，这再次证实了爱因斯坦的引力理论，其精度比以前的任何实验高出近100倍。因此研究人员的结论说：该实验没有偏离广义相对论。

这样的结果让希望有意外发现的物理学家感到失望。他们设计的实验希望能驳斥广义相对论的一个基本假设: 所有物体的引力定律都是一样的，不管它们的位置、速度和方向如何。无论是月球绕地球运行，地球绕太阳运行，还是两个圆柱体向地球坠落，广义相对论说它们都遵循相同的方程式样。物理学家称这种假设的宇宙重力一致性为洛伦兹对称性，它反映了“时空本质中最深的对称性”。

尽管对称性可能很美，但还是有物理学家怀疑它实际上并不存在。他们早就知道广义相对论是不完整的，因为它与有关量子力学的描述相矛盾。你可以把量子力学和广义相对论看作是一个更大的难题的两个部分，它们的形状不会拼接在一起。许多理论试图通过允许重力在特定条件下表现出轻微的不同来重塑拼图。

随着显微镜试验的失败，研究人员把希望寄托在其他方法上。欧洲核子研究中心的物理学家们正在进行多项实验，他们将反物质原子掉落，并将其与普通原子进行比较。之前从来没有人测量过反物质粒子的下落，所以希望它的行为能揭示一些关于引力的新东西。

在一个名为“宙斯盾”的实验中，该团队的发言人、物理学家迈克尔·多瑟说，他们的计划是发射像炮弹一样的反物质原子，并测量它们下落的距离。到目前为止，这个团队已经成功地制造出了反氢原子，也就是氢原子的反物质版本，他们现在正在建造和测试这个装置的一部分，以便在几年内进行反物质的发射。

物理学家认为反原子会以与普通物质完全相同的速度下降。但如果实验发现它们以不同的速度下降，甚至像一些边缘理论预测的那样上升，物理学家可能最终会在广义相对论中发现裂缝。

至于“显微镜”实验，这颗卫星在2018年就停止了收集数据。在接下来25年里，它会随着降落伞进入到地球大气层中焚毁。但物理学家现在仍在对它收集的数据进行分析。现在还有研究人员正在设计一项名为STE-Quest的新太空任务，他们计划测量自由落体状态下铷原子的两种不同同位素。它们所涉及的仪器要比显微镜实验精确10倍。

尽管显微镜研究人员没有推翻广义相对论，但他们监测圆柱体的精度水平仍然是一项成就。随着物理学家开发出更好的传感器，他们真的会发现一些线索吗？截止目前万有引力的地位无法撼动，不过物理学家仍然没有放弃坠落物体的科学研究。

参考：https://www.wired.com/story/how-the-extreme-art-of-dropping-stuff-could-upend-physics/