06.28 最大真空實驗室,抽出30噸空氣,整個房間只剩下2克空氣

為了創造類似於太空不含空氣的環境,真空室能夠將30噸的空氣抽走,直到剩餘2克空氣。這個NASA真空室建於1969年,高122英尺(37.2米)、直徑100英尺(30.5米),由鋁製成,以應對輻射,但仍需要一個外部的混泥土外殼,以確保它足夠強大來容納裡面的真空。NASA真空室起初用於測試核推進系統,現在主要用來測試航天器,科學家用它來測試了一個令人印象深刻的實驗。

最大真空實驗室,抽出30噸空氣,整個房間只剩下2克空氣

測試萬有引力定律

當你把保齡球和羽毛同時在高空釋放將會發生什麼?答案似乎很明顯,後者下降速度較慢,由於存在空氣阻力。

科學家進行了兩個對比實驗,空氣和真空環境,實驗對象是一個保齡球和若干羽毛。顯然,第一個空氣環境實驗中,保齡球先著地,羽毛慢慢地飄落。第二個實驗,把幾乎所有的空氣都抽走了,保齡球和羽毛同時落地。這是因為沒有空氣阻力,它們以同樣的速率下落。不過,根據愛因斯坦的狹義相對論,它們壓根不是在下落,而是在保持靜止狀態。

在1971年阿波羅15號任務期間,指令長戴維·斯科特(David Scott)在月球表面做的著名的實驗,有效證明了這點。在月球上,他同時鬆開了手中的錘子和羽毛,看著它們同時下落到地面,證明了當空氣阻力和某些其它力沒有作用在物體上時,它們會以同樣的速度著地。

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首先,通過升降機架將保齡球和一些羽毛升到高空,在有空氣環境中將它們下落到地面。第一個實驗中,保齡球直落到地面,而羽毛緩緩飄落,由於室內存在空氣阻力。他提到了伽利略的早期實驗,也測試了相同的假設。“伽利略的實驗很簡單,”考克斯教授解釋道“他拿起了一個重的和一個輕的物體,然後同時放手,看看它們哪個下落的更快”。

但伽利略的實驗只證明了,兩個外形相當的物體雖然重量不同卻能同時著地,不能親自證明重量和表面積都相異的情況如何同時下落。畢竟,那時17世紀並沒有考克斯教授如此大的真空室來做更有說服力的實驗。

然後,工作人員將真空室大門關閉。密室裡有80萬立方英尺(約2.3萬立方米)的空氣,需要三個小時才能抽成真空環境。“一旦完成,密室裡將有近乎完美的真空”,其中一個工程師按下釋放按鈕,保齡球和羽毛從空而落就像第一個實驗一樣。不過這次,它們以完全相同的速率著落到地面,讓他們非常驚喜。“它們真的同時落地了!”。

開展這項實驗不僅是為了證明伽利略和牛頓是正確的,還證明一個更有趣的假設,由20世紀物理學家阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)提出的。

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“艾薩克·牛頓可能會說,保齡球和羽毛之所以會下落,是因為存在一種力拉著它們下來” ,但愛因斯坦想像的情景完全不同。他一生中最快樂的想法就是這樣的,保齡球和羽毛一起下落的原因是,它們並不是在下落,它們是在保持靜止狀態,完全沒有力作用在它們上面。如果你不看它們的背景環境,那就完全沒辦法知道,保齡球和羽毛正在朝著地球加速。

通過改進牛頓的早期理論,使得愛因斯坦能夠更準確的定義自己的狹義相對論。這揭示了空間和時間的關係,其中一個結論是:沒有任何東西可以比光傳播得快。

愛因斯坦的狹義相對論表明了空間和時間是如何相互作用的,還有重力對宇宙的作用效果。這是最早在1905年由愛因斯坦提出的,並在2004年發射的NASA重力探測器來證明他的理論。

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根據牛頓理論,認為引力變化只是瞬間的,這顯然打破了物理定律。但根據愛因斯坦提出的,認為兩個物體完全沒有在下落。如果把你與其中一個物體交換,也就是說,如果一個人在箱子裡面,這個人將不知道他們正在同時下落。

如果以真空室其中一個下落物體為參考系,這將無從瞭解到有什麼力正在作用。這後來被稱為等價性原理,在本質上,它表明質量獨立於其它力,比如地心引力。


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