从比萨斜塔到月球，伽利略错了吗？

2004-05-19 17:23 这是发生在 400年前的故事……伽利略（Galileo Galilei）带着不同大小、不同重量、不同材质的铁球、金块、银块、木头斗东西，来到义大利著名的比萨斜塔（Leaning Tower of Pisa）上，看看哪一种东西下落的速度比较快。结果呢？这些东西竟然同时抵达地面！伽利略因此大发现而获得一个新的物理原则：无论东西大小、重量与材质，作用在这些物体上的重力加速度都是相同的！这就是著名的“自由落体（Universality of Free Fall）”实验，或是称为“等效原理（Equivalence Principle）”，是现代物理的基础之一；甚至连爱因斯坦的广义相对论，都是建立在“假设等效原理是正确”的基础上。不过，如果等效原理是错的呢？

目前有些科学家认为：对不同成分的物体而言，等效原理或许有非常微小的差异。若果如此，那么相对论或许就得修正了，甚至物理学上将有重大变革。此外物理学家已对广义相对论及量子力学两者间的差异迷惑很久了。对很大的尺度而言，广义相对论是成功的；对很小的尺度而言，量子力学是成功的。但科学家总想将所有的事情“统一”，希望只用一种“真理”就可以解释所有现象。

美国航太总署（NASA）喷射推进实验室（JPL）科学家 Slava Turyshev 等人目前正在进行一项不一样的“月球雷射测距（Lunar laser ranging）”实验，发射雷射光束至月球来测试等效原理及广义相对论的正确性。Turyshev等人的实验类似比萨斜塔的自由落体实验，只不过现在是拿更大的地球和月球来取代铁球，因月球与地球的组成成分不同，质量大小不同，因此若等效原理真有材质与质量的变因，也可将此变因放大许多倍来检测。 Turyshev 等人将制造精确度达 1～2 公厘的仪器，测量月球和地球轨道位置的偏差量，想藉此了解地球与月球加速“落向”太阳的速度是否相同？如是，则等效原理与相对论可继续维持它们的崇高地位；若否，那么物理界势必有一番大变动。

Turyshev 等人将发展的技术，称为“阿帕契重点天文台月球雷射测距设施（Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation）”，简称即为 APOLLO。APOLLO会将雷射脉冲打向月球再回到地球，利用阿帕契重点天文台口径3.5米的望远镜侦测雷射光，所侦测到的雷射光来回时间误差不得超过兆分之一秒。已知光速为每秒30万公里，则APOLLO望远镜与月表反射镜之间的距离便可计算出来（距离＝速度x雷射来回时间/2）。APOLLO 同时安装有超导重力仪与精密的GPS定位系统，来避免地球板块运动的影响，而观测地点则挑选大气扰动宁静处，避免雷射光被地球大气扰动而偏折，另外还安置气压计阵列来记录大气的稳定度。

如果真的能在这个实验中找到等效原理的微小差异，科学家或许真的可以将所有的现象予以统一，也就是传说已久的“万有理论（Theory of Everything）”或许真能实现。

(TAS转载自：台北天文馆)