引力波|引力波破坏了广义相对论的基本假设之一：等效原理广义相对论

文章图片

文章图片
等效原理是广义相对论的两大基础假设之一，在现代物理学中是非常重要的存在。等效原理又分为弱等效原理、强等效原理和甚强等效原理。
弱等效原理认为，物理的惯性质量和引力质量之比是一个与材料、大小等物理性质无关的常数。简单来说，不管物体质量如何，它们在相同引力场下做自由落体都具有相同的加速度。大家应该还记得一个故事，那就是伽利略的比萨斜塔实验，他把两个质量不同的小球同时从高处放下，结果两个小球同时落地。虽然这个故事的真伪不明，但是这反应出了弱等效原理。
强等效原理认为，在引力场的任何位置都可以找到一个局部惯性系，其中一切物理定律与没有引力场中是一样的。甚强等效原理把引力的相互作用也包括了进来，它描述的是引力可能破坏等效原理。
弱等效原理的检验上面说过，伽利略的比萨斜塔实验存在疑问。并且，两个不同大小的球所受阻力也会不同，不太可能同时到达地面。牛顿吸取了经验，设计了一种可以抵消空气阻力影响的实验。他设计了两个一样长的单摆吊着相同大小的盒子，盒子里可以装相同重量的木块和金属，并且还可以轮换。从而，他在千分之一的精度内测试了弱等效原理。
后来，人们又设计了各种实验对它进行检验。在三位科学家对扭秤实验的方法和测量进行改良之后，弱等效原理的精度达到了10^-13 ，这几乎是地面实验的极限了。
后来，人们提出用卫星进行实验。科学家把两个物体装在卫星中，如果等效原理不成立，那么这两个物体就会逐渐拉大距离。但事实上，它们在10^-18的精度内验证了弱等效原理。
引力波对弱等效原理的破坏众所周知，引力波是爱因斯坦广义相对论的重要产物之一。当两个天体互相绕转时，它们就会扰动时空，产生向外传播的引力波。引力波非常小，很难被探测到，只有大质量物体合并产生的引力波才能被探测到。
【引力波|引力波破坏了广义相对论的基本假设之一：等效原理】前面提到遵守弱等效原理的情况都是在静态引力场的情况下，但引力波是动态的，也就是说它是随着时间变化而变化的，那么在引力波下弱等效原理还存在吗？
最近，澳大利亚的物理学家詹姆斯·奎奇发表了一项研究，从理论上证明了弱等效原理会遭受引力波中量子粒子的破坏。他编写了一个描述量子粒子自由下落的弱等效原理方程，然后在静态引力场和引力波中进行测试。结果发现，引力波中的量子粒子能提取到质量的信息，这也就表明它违反了弱等效原理。
该计算首次准确地描述了量子粒子如何违反弱等效原理的特征，并为以后的研究提供了重要见解。这一发现不仅可以解决量子理论中的长期争论，还可以用来开发先进的新材料，包括具有无限电导率和零粘度的流体。