2009-05-14

在太空中測試等效原理

Equivalence principle in space test
http://www.physorg.com/news161257625.html

May 11th, 2009

自伽利略(Galileo Galilei)及牛頓(Newton)以降,「慣性(inert)(質量)與重質量(heavy mass,應指重力質量)相等」這種假設一直能站得住腳。然而,這個卻受到弦論那樣的新物理理論所質疑。現在,等效原理(equivalence principle)準備以前所未有的精確度,在「顯微鏡(Microscope)」太空計畫的範圍中進行試驗 -- 一項德法合作。德國的 PTB(Physikalisch-Technische Bundesanstalt)為測試質量(test masses)開發了製造與測量方法。這些測試質量為近地球軌道中的加速度實驗所需。

太空是一處理想地點,能以地面環境中不可能辦到的精確度來檢驗慣性與重質量的等效性。這是為何在 2013 年中,法國太空總署 CNES(Centre National d'Etudes Spatiales)會將一顆微型衛星攜往近地軌道,並以不同測試質量完成加速度測試。這些試驗的主要品項是一對同心套疊的(concentrically nested)金屬圓柱體,那在衛星裡、地球重力(那作用在圓柱體的重質量上)與離心力(那作用在慣性質量上)的平衡處飄動。不過,衛星若選擇性地加速,那麼力的平衡將會失效(annulled)。

這些加速度實驗的效力完全依靠所用測試質量的品質。只有當質量、形狀、密度以及圓柱體的熱膨脹具有很高的精確性,慣性與重質量之間的微小差異才能夠被觀察到。

PTB 的科學儀器部門,現已成功最佳化這些測試質量(以一種標準的鈦合金與一種特別的鉑銠合金製成)的製程,使其三維形狀與尺寸的誤差限制在
1μm 的範圍內。這種精確度代表著一種巨大的技術性挑戰,在其中,幾乎達到這些可用製造機器的理論性生產限制。這就是為何一種綜合測量技術得要被整合到這種處理工作站的緣故。

到目前為止所製造的原型由 PTB 旗下的技術性實驗室所檢查。它們符合所要求的精確度,而且將用在 Bremen 的應用太空技術與微重力中心(ZARM)-- 這項計畫的共同合作伙伴 -- 的墜落塔(drop tower)測量中,那在軌道實驗之前先行試驗。在評估這些測量之後,PTB 將製造真正的、用在衛星實驗中的測試質量。

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