在一項新研究中，一個科學家團隊展示了對廣義相對論的一個關鍵組成部分–弱等效原理的最精確測試。關於這項研究的一對新研究報告於9月14日發表在《物理評論快報》和《經典與量子引力》專刊上。

報告描述了MICROSCOPE任務的最終結果，該任務通過測量圍繞地球運行的衛星中自由下落物體的加速度來測試該原理。研究小組發現，成對物體的加速度相差不超過1015分之一，排除了任何違反弱等效原理或偏離目前對廣義相對論的理解的情況。

蔚藍海岸天文台的科學家和MICROSCOPE團隊的成員Gilles Métris說：“我們對未來的任何理論都有了新的、好得多的約束，因為這些理論在這個層次上必須不違反等效原理。”

阿爾伯特·愛因斯坦在1915年發表的廣義相對論描述了引力如何工作並與時間和空間相關。然而，它並沒有說明對量子現象的觀察。因此，科學家們在越來越高的精度和各種情況下尋找與該理論的偏差。這種偏差將表明新的相互作用或力量，可以將相對論與量子物理學結合起來。測試弱等效原理（WEP）是尋找廣義相對論潛在擴展的一種方式。

根據弱等效原理，在引力場中的物體在沒有其他力的作用下會以同樣的方式下落，即使它們有不同的質量或成分。為了測試這一原理，MICROSCOPE團隊設計了他們的實驗，以極高的精度測量Eötvös比率–它將兩個自由落體的加速度聯繫起來。如果一個物體的加速度與另一個物體的加速度相差超過1015分之一，該實驗將測量它並探測到這種違反WEP的情況。

為了測量Eötvös比率，研究人員在MICROSCOPE衛星中監測了鉑金和鈦合金測試質量在繞地球運行時的加速度。實驗儀器利用靜電力使成對的測試質量保持在相對於對方的相同位置，並尋找這些力的潛在差異，這將表明物體的加速度的差異。

該實驗的一個重要挑戰是找到在地球上測試儀器的方法，以確保它在太空中能按設計工作。法國航空航天實驗室ONERA的科學家和MICROSCOPE團隊的成員Manuel Rodrigues說：“困難在於我們發射的儀器不能在地面上運行。所以這是一種盲目的測試。”

在儀器準備好後，團隊就在2016年發射了它。他們在2017年發布了初步結果，但在2018年任務結束後，他們繼續分析數據，考慮到故障和系統不確定性。他們最終沒有發現違反WEP的情況，為該原則設定了最嚴格的約束。

該團隊的工作為用衛星實驗對WEP進行更精確的測試鋪平了道路。他們的分析包括改進實驗裝置的方法，比如減少影響加速度測量的衛星塗層中的裂紋，以及用非接觸設備取代裝置中的電線。研究人員說，實施這些升級的衛星實驗應該能夠在1017分之一的水平上測量潛在的違反WEP的行為。但是MICROSCOPE的結果很可能在一段時間內仍然是對WEP的最精確的約束。

Rodrigues說：“至少在十年或也許二十年內，我們看不到空間衛星實驗有任何改進。”