MICROSCOPE航天器对广义相对论的关键部分进行最精确的测试

报告描述了MICROSCOPE任务的最终结果，该任务通过测量围绕地球运行的卫星中自由下落物体的加速度来测试该原理。研究小组发现，成对物体的加速度相差不超过1015分之一，排除了任何违反弱等效原理或偏离目前对广义相对论的理解的情况。

蔚蓝海岸天文台的科学家和MICROSCOPE团队的成员Gilles Métris说：“我们对未来的任何理论都有了新的、好得多的约束，因为这些理论在这个层次上必须不违反等效原理。”

阿尔伯特·爱因斯坦在1915年发表的广义相对论描述了引力如何工作并与时间和空间相关。然而，它并没有说明对量子现象的观察。因此，科学家们在越来越高的精度和各种情况下寻找与该理论的偏差。这种偏差将表明新的相互作用或力量，可以将相对论与量子物理学结合起来。测试弱等效原理（WEP）是寻找广义相对论潜在扩展的一种方式。

根据弱等效原理，在引力场中的物体在没有其他力的作用下会以同样的方式下落，即使它们有不同的质量或成分。为了测试这一原理，MICROSCOPE团队设计了他们的实验，以极高的精度测量Eötvös比率--它将两个自由落体的加速度联系起来。如果一个物体的加速度与另一个物体的加速度相差超过1015分之一，该实验将测量它并探测到这种违反WEP的情况。

为了测量Eötvös比率，研究人员在MICROSCOPE卫星中监测了铂金和钛合金测试质量在绕地球运行时的加速度。实验仪器利用静电力使成对的测试质量保持在相对于对方的相同位置，并寻找这些力的潜在差异，这将表明物体的加速度的差异。

该实验的一个重要挑战是找到在地球上测试仪器的方法，以确保它在太空中能按设计工作。法国航空航天实验室ONERA的科学家和MICROSCOPE团队的成员Manuel Rodrigues说：“困难在于我们发射的仪器不能在地面上运行。所以这是一种盲目的测试。”

在仪器准备好后，团队就在2016年发射了它。他们在2017年发布了初步结果，但在2018年任务结束后，他们继续分析数据，考虑到故障和系统不确定性。他们最终没有发现违反WEP的情况，为该原则设定了最严格的约束。

该团队的工作为用卫星实验对WEP进行更精确的测试铺平了道路。他们的分析包括改进实验装置的方法，比如减少影响加速度测量的卫星涂层中的裂纹，以及用非接触设备取代装置中的电线。研究人员说，实施这些升级的卫星实验应该能够在1017分之一的水平上测量潜在的违反WEP的行为。但是MICROSCOPE的结果很可能在一段时间内仍然是对WEP的最精确的约束。

Rodrigues说：“至少在十年或也许二十年内，我们看不到空间卫星实验有任何改进。”