两个铁球同时落地的故事

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两个铁球同时落地的故事

  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!

  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。

  电磁能和物质中所带的电荷有关。假如两个原子质量相同,但是其中一个含有的质子较多而中子较少,就带有更多电荷;而另一个质子少而中子多,电荷也就较少,那么两个原子就具有不同的电磁能。比如碳-14原子和氮-14原子,两者的质量基本相同,但前者含有6个质子和8个中子,而后者含有7个质子和7个中子,所以它们的电磁能有明显的差别。普通的引力对这两个原子的作用是完全相同的,然而这种新的引力作用在它们上时,就会稍微有所不同。

  捕捉最微弱的引力

  这种力是非常微弱的,那么有没有实验方法能够探测到它呢?就如同“振动的弦”目前无法看到一样,这种力小得也难以辨别出来。

  最直接的方式自然是拿两块质量相同,但成分不同的物体,排除其他干扰因素,让它们在相同的高度自由落下,观察它们在下落过程中是否出现了微小的差别。然而在地球上,物体下落到地面的时间往往很短暂,即使确有这样的力,也难以观察到什么不同。

  幸好,我们可以把处于绕地轨道上的物体看成处于不断地绕地球的下落过程中的物体,只是这个过程非常漫长,比如月球就已经绕着地球运动了几十亿年。因此,如果存在那种新的力,产生的微小差别会随着时间不断累积,最终增大到人们可以探测的级别。

  现在,科学家正在研制一种叫做“等效原理检验卫星”的装置,里面装有实验用的对比物体,他们准备把它发射到太空中,检测等效原理是否正确。应该说,这种装置不论肯定或是否定了等效原理,都将对物理学产生深远影响。如果装置证实了等效原理,那么弦论所预言的微弱的力并不存在,也许科学家应该抛弃“宇宙中无数个弦在振动”这样的理论;而如果装置发现了等效原理确实有漏洞,在更高的精度上失效了,那么弦论将获得证实,现代物理学也许又将迎来一次革命。

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