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1、旋转物体的等效原理及其空间实验摘要文章回溯了等效原理的历史,解释了弱等效原理(伽利略等效原理)､强等效原理(爱因斯坦等效原理)和甚强等效原理.实验检验表明,到10-13的实验精度时,没有观测到等效原理的破坏.文章最后,也是文章的主要目的,阐述了广义相对论的不足,即不能描写物质的自旋与引力场的耦合.自旋粒子或自转物体的能-动张量既有对称分量,也有非对称的分量,还有自旋张量.但是广义相对论的引力场方程中只包含了能-动张量对称分量,不包含反对称分量,更没有自旋张量的贡献.涉及自旋与引力场耦合的理论是(有挠率场的)引力规范理论,该理论预言:自旋粒子或旋转物体将偏离测地运动,
2、因而破坏等效原理.为了检验这种破坏,文章作者及其合作者建议进行地面实验和空间实验.关键词等效原理,引力规范理论,自旋物质的引力耦合 AbstractThehistoryoftheequivalenceprinciple(EP)isrevieentsshoentalaccuracyof10-13.Inthelastpartofthepaperatterandthegravitationalfield.Asmetricenergy-momentumtensorandaspintensor.Hometricponentsbutnottheasymmetricpartoftheform
3、ertensor,norarethereanycontributionsfromthelattertensor.Ontheotherhand,agaugetheory(otionforaspinparticleorarotatingbodyageodesicone,andhenceviolateEP.InordertotestthisviolationentsinbothalaboratoryontheEarthandasatelliteinspace. Keyatterandgravitationalfield 等效原理是物理学中的基本原理之一,长期以来物理学家们不断地
4、在用实验进行检验.本文主要指出,旋转物体等效原理的空间实验在原理上不同于通常的弱等效原理及其实验检验(见图1).为了清楚地显示这种差别,我们使用伽利略自由落体型的示意图(图1和图2)进行阐述. 1通常的等效原理的陈述 通常的等效原理分为弱等效原理和强等效原理(甚至还有甚强等效原理).弱等效原理就是伽利略等效原理;强等效原理是爱因斯坦对弱等效原理的推广,所以又称为爱因斯坦等效原理.爱因斯坦广义相对论的基本假设之一不是弱等效原理而是强等效原理(它已经包含了弱等效原理). 弱等效原理可以这样进行陈述:在地球表面(即地面)之上的同样高度的真空管中,让二个不同物体(材料或重量
5、不同)同时自由下落,在忽略管子中的残余空气的阻力并忽略地球表面弯曲的情况下,这两个做自由落体的物体将会同时落地. 如果使用牛顿力学第二定律和牛顿万有引力定律来描写这两个不同物体的自由落体运动的话,那么弱等效原理又可以说成是“物体的惯性质量与引力质量之比是个与物体的材料､重量等具体物理性质无关的常数”,适当选取质量的单位,则可以更简练地把弱等效原理说成“物体的惯性质量等于引力质量”. 等效原理在现代物理学中之所以非常重要,是因为爱因斯坦在1916年建立了广义相对论.这个理论基于(强)等效原理和广义协变原理.如上所述,强等效原理又称为爱因斯坦等效原理,它是对弱等效原
6、理的一种推广[1—3]:在引力场中的任何位置和任何时间都能找到一个“局部惯性系(爱因斯坦比喻为自由下落的电梯)”,在其中一切物理定律与没有引力场时的惯性系中的形式相同.这里说的局部惯性系就是在引力场中自由下落的“局部实验室”,“局部”指的是在其中进行实验的时间和空间内引力场的不均匀性可以忽略不计(即测量仪器由于不够精确而测量不出可能具有的微小引力势梯度). 甚强等效原理在强等效原理的基础上把引力相互作用也包含在其中,即引力也不会造成等效原理的破坏.这可以在弱等效原理的描写中得到理解(见下面有关检验引力自能对等效原理的可能破坏). 2通常的等效原理的实验检验 回溯弱等
7、效原理的实验必然会想到意大利的比萨斜塔和伟大的天文学家伽利略.据传说,伽利略在比萨斜塔演示过等效原理实验.但是并没有科学 爱因斯坦(强)等效原理的实验检验可以分为3种类型[2]:弱等效原理的检验(如上所述)､局部洛伦兹不变性的检验､局部位置不变性的检验.强等效原理之所以一定包含弱等效原理,是因为自由下落的电梯,无论它是用何种材料建造的,都必须具有相同的自由落体加速度,才能被看作是“局部惯性系”.第二类是验证“局部惯性系”中狭义相对论的正确性.第三类包
