本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
我们在学校学习物理时最先接触到的知识之一——与牛顿运动定律一起——就是所有物体都以相同的速率下落，无论它们的质量如何。现在它被称为等效原理——更准确地说，是弱等效原理——它是爱因斯坦广义相对论的中心原则。现在，一个德国物理学家团队已经证明，即使是物质波在自由落体方面也遵守爱因斯坦的理论。
长期以来，实验检验弱等效原理一直是一个令人自豪（且常常充满趣味）的传统。还记得电影《亚当斯一家的价值观》中的那个场景吗？星期三和帕斯利带着他们刚出生的弟弟和一个沉重的炮弹来到他们家破旧的哥特式豪宅的屋顶？永远面无表情的星期三向她的哥哥提出了一个科学假设
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星期三：帕斯利，婴儿重十磅，炮弹重二十磅。哪个会先砸到石头人行道？帕斯利：我还在学分数。
星期三：你觉得哪个会先到？
帕斯利：炮弹？
星期三：非常好。但是哪个会弹起来？
帕斯利：婴儿？
星期三：只有一种方法可以找到答案。准备好了吗？一……二……三。
然后她和帕斯利毫不客气地从屋顶上扔下了婴儿和炮弹。这与科学家们自公元6世纪的哲学家约翰·菲洛波诺斯以来一直在测试弱等效原理的方式非常相似，他从高处扔下不同质量的球，观察到它们的下落速率没有可察觉的差异。他是第一个提出物体下落的速度与它的重量（质量）无关的人，后来对大约900年后的伽利略·伽利雷产生了重大影响。
据说伽利略在意大利著名的比萨斜塔上扔下了不同质量的炮弹，但这个故事可能是杜撰的。也许在某个时候，人们开始将他与佛兰芒数学家西蒙·斯特芬混淆，后者在1586年左右从代尔夫特教堂的塔楼上扔下了不同质量的铅球。
大约在1610年（有人认为日期是1604年），伽利略确实将球滚下斜面。倾斜面确保了球以更低的速度滚动，从而更容易测量它们的加速度。球的大小相似，但有些是铁制的，有些是木制的，这使得它们的质量不同。由于缺乏精确的计时器，据报道伽利略用脉搏来计时球的运动时间。与菲洛波诺斯（和斯特芬）一样，他发现无论倾斜度如何，球的加速度速率都相同。
尽管如此，亚当斯家的孩子们实际上猜对了，只是原因错了。他们的实验在戈麦斯爸爸恰好在合适的时机探出窗外接住半空中坠落的婴儿帕伯特时被打断了。如果婴儿继续按原路线下落，炮弹确实会先落地。但它的提前到达与它的相对重量无关。（这实际上是第一个吹毛求疵的地方：星期三将质量与重量混淆了。重量随重力而波动，而质量是恒定的。）
关键变量是空气的存在引起的摩擦力。空气对帕伯特的摩擦力比对炮弹的摩擦力更大，因为婴儿的表面积更大。这减慢了帕伯特的下落速度，炮弹先落地。如果亚当斯兄妹在真空中进行实验，就不会有空气阻力，婴儿和炮弹会同时落地，尽管重量相差十磅。
这就是经典硬币和羽毛实验背后的基本原理。伽利略和他的自由落体伙伴们并没有进行最严格精确的测量（伽利略的精度约为1%）；考虑到当时可用的工具，他们做得非常出色。但是，后来科学家们弄清楚了如何制造真空室，并用它来研究真空对等效原理实验测试的影响。您可以在任意数量的YouTube视频中观看结果，这非常违反直觉。我们非常习惯于看到硬币直线落下，而羽毛则以更悠闲的速度轻轻飘落到地面，但那不是真空中发生的事情。它们确实以相同的速率下落。
在像月球这样的低重力环境中也可以观察到同样的情况，月球几乎没有空气阻力。美国宇航局阿波罗15号宇航员大卫·斯科特在他1971年的登月行走期间进行了他自己的实验版本。他通过直播电视同时扔下一根猎鹰羽毛和一个锤子，当这两个物体同时击中泥土时，他兴奋地说：“你瞧！伽利略先生是对的。”
测试等效原理的方法不止一种。伽利略后来改进了他的方法，使用了摆锤装置，该装置涉及测量质量不同但长度相同的摆锤的振荡周期。这也是艾萨克·牛顿在1680年左右以及后来的弗里德里希·贝塞尔在1832年都偏爱的方法，他们都大大提高了测量精度，与伽利略相比。牛顿还意识到该原理扩展到天体，他计算出地球和月球，以及木星及其卫星，都以相同的速率向太阳下落。
牛顿没有任何方法可以在太阳系尺度上进行实验验证，但几个世纪后，美国宇航局通过阿波罗宇航员放置在月球上的反射器阵列做到了这一点。这实现了月球激光测距：我们可以通过望远镜向月球发送激光束，当激光束击中反射器时，我们可以检测到返回信号。好吧，不是任何人都能检测到它，因为它大约每隔几秒钟才接收到一个光子，但使用合适的设备，这是可能的。
在这里，我将让《生活大爆炸》中的伦纳德在这个精彩的场景中解释具体细节
（记住孩子们，不要在家尝试——但如果你真的要尝试，请务必将你的激光设置为眩晕。）
地球有一个铁核，而月球的核心主要由硅酸盐构成，它们的质量差异很大。然而，月球激光测距实验证实了牛顿的计算：它们确实以相同的速率绕太阳下落。因此，我们再次看到，物体的质量和构成物体的材料都不会影响其下落速率。
19世纪末，匈牙利物理学家罗兰·厄特沃什·德·瓦沙罗斯纳米尼男爵将摆锤方法与扭秤相结合，创造了扭摆，并用它来进行更精确的等效原理测试（它也成为地球物理学中的主力工具，尤其适用于定位油田）。用男爵自己的话说
“那只是一根简单的直杆，我用作仪器，两端都经过特殊加载，封闭在金属护套中以保护它免受风和温度变化的影响。在这根杆上，每一个质量，无论是近处还是远处，都施加一个定向力；但是悬挂它的金属丝会抵抗，并且在抵抗时会扭曲，这种扭曲的程度向我们显示了作用在杆上的力的确切大小……”“它很简单，就像哈姆雷特的笛子一样，你只需要知道如何演奏它，就像音乐家可以用美妙的变奏让你高兴一样，物理学家也可以用这个秤，同样高兴地确定重力的最细微变化。这样，我们就可以窥视地球地壳的深处，我们的眼睛和最长的钻头都无法触及。”
事实证明，这根简单的直杆足够精确，可以更精确地测试等效原理——比贝塞尔的摆锤实验精确约400倍。阿尔伯特·爱因斯坦在他的1916年论文中引用了厄特沃什实验，该论文奠定了他的广义相对论的基础。（旁注：扭秤也经常用于精确测量引力常数，又名“大G”。）
扭秤也被用于随后的弱等效原理实验中，例如，1964年的一个实验使用了铝块和金块作为测试质量，1987年的另一个实验使用它来测量各种质量在向地球、太阳和银河系中心下落时的加速度，以进行充分的测量。
总而言之，当前最佳测量结果（来自月球激光测距数据）表明，等效原理在万亿分之几的范围内成立。
这已经非常好了，但物理学家永远不会满足。最好在太空中进行进一步的等效性测试。当然，从钟楼上扔下物体很有趣，但它发生得太快了，很难在可能发生此类违反现象的尺度上进行精确测量。轨道运行的物体实际上是持续自由落体的，这使它们成为理想的实验室。
曾经有几个提议的卫星实验旨在做到这一点。其中一个被称为STEP（等效原理卫星测试），使用了为重力探测器B开发的技术，该探测器测试了相对论的其他关键方面（即，框架拖曳）。但是自2009年以来，关于STEP的更新信息不多，考虑到目前的资金紧缩，我对STEP的发射不抱太大希望。（它可能已被取消，但在快速的谷歌搜索中我找不到任何官方通知。）法国有一个类似的项目，名为MICROSCOPE（微型卫星用于观测等效原理），最初计划于2015年发射，但似乎已于2011年12月取消。
由于进一步的太空实验似乎暂时搁置，为什么不在更小的尺度上也测试等效性呢？我的意思是，也许在某些特殊情况下，等效性可能会被违反。那将意义重大——可能是新的一种超弱力（比重力弱一千万亿倍，甚至更弱）的证据，这种力随着时间的推移累积，可能会导致重力拉力的微小差异。
这就把我们带回了最新的PRL论文。在量子尺度上测试等效性的另一种方法是使用物质波干涉法。它与经典的迈克尔逊-莫雷实验有关，该实验试图探测地球在一种被称为发光以太的介质中的运动，当时的物理学家认为这种介质渗透了空间。根据维基百科，迈克尔逊干涉仪的工作原理如下
“使用分束器，光源被分成两臂。每条臂都反射回分束器，然后分束器以干涉方式组合它们的振幅。产生的干涉图样通常不直接返回光源，而是 направляется 到某种类型的光电探测器或相机。根据干涉仪的特定应用，两条路径的长度可能不同，或者包括被测的光学材料或组件。”"
实际上有许多不同类型的干涉仪。19世纪后期，托马斯·杨使用这种仪器进行了著名的双缝实验，以测试光是粒子还是波——正如我们现在所知，光既是粒子又是波。时间领主会进一步澄清并坚持认为，从技术上讲，它在我们观察它之前都是波，那时我们才会看到粒子。谨记。（有关杨氏双缝实验的详细描述，请参阅我2007年（2012年重新发布）关于该主题的帖子。）路易·德布罗意后来证明，物质也是如此。是的，存在物质波，这使得物质波干涉仪成为可能。
无论如何，原子对重力非常敏感，因此它们是研究原子尺度弱等效性的绝佳测试对象。例如，应该可以确定重力是否（或如何）可能取决于某些量子特性，例如自旋。先前使用物质波干涉法的实验测量了同一原子元素的两种同位素的自由落体，希望检测到微小的差异。没有成功。
但是来自汉诺威莱布尼茨大学和乌尔姆大学的一个物理学家团队认为，也许它们的成分之间没有足够的差异来实现最高的灵敏度。因此，他们使用了不同元素的同位素，即铷原子和钾原子。使用磁光阱——与实现叶菲莫夫态所使用的基本技术相同，正如昨天发布的帖子中所讨论的那样——他们将原子冷却到仅几微开尔文。然后他们释放了原子。激光脉冲确保原子沿着两条独立的路径下落，然后再重新组合。基本上，如果研究人员观察到干涉图样，则等效性成立；如果没有，也许他们发现了革命性的东西。瞧，那里有明显的干涉图样。等效性仍然成立！至少在千万分之一的范围内。
“哎呀！”我能听到你的嘲讽。“爱因斯坦仍然是对的。这有什么新闻价值？”仅仅因为结果为零并不意味着它无关紧要。除其他外，这可能有助于排除一些相互竞争的弦理论版本，其中一些版本预测不同材料的重力拉力存在微小差异。因此，如果等效性继续成立，即使在原子层面也是如此，这些版本可能会被抛弃，从而在杂乱的重力替代理论领域中清理出一些急需的空间。
如果不是这样呢？任何物理学家都会告诉你，那将非常令人兴奋。你认为他们为什么还在寻找违反现象？至少目前，爱因斯坦仍然是对的。
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