世界最大真空室！自由落体实验：保龄球和羽毛同时落地实验中文视频

前言前言

      在最新一集《人类宇宙（Human Universe）》中，布莱恩·考克斯（Brian Cox）教授准备测试万有引力定律。为了亲眼目睹这一壮举，他跋涉到了NASA太空电力工厂（Space Power Facility），在美国俄亥俄州克利夫兰附近。这里是世界上最大的真空室，用于模拟太空环境，进行航天器测试。

      当你把保龄球和羽毛同时在高空释放将会发生什么？答案似乎很明显，后者下降速度较慢，由于存在空气阻力。

      考克斯教授进行了两个对比实验，空气和真空环境，实验对象是一个保龄球和若干羽毛。显然，第一个空气环境实验中，保龄球先着地，羽毛慢慢地飘落。第二个实验，把几乎所有的空气都抽走了，保龄球和羽毛同时落地。这是因为没有空气阻力，它们以同样的速率下落。但考克斯教授也提到，根据爱因斯坦的狭义相对论，它们压根不是在下落，而是在保持静止状态。

正文正文

      视频来自布莱恩·考克斯《人类宇宙》第四集，一起来看看保龄球和羽毛同时落地的壮观场面吧。以下视频由『TimeRim字幕组』译。

      物理学家伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）和艾萨克·牛顿（Isaac Newton）的理论都认为，如果没有空气，物体将以同样的速率下落到地面。

      在1971年阿波罗15号任务期间，指令长戴维·斯科特（David Scott）在月球表面做的著名的实验，有效证明了这点。在月球上，他同时松开了手中的锤子和羽毛，看着它们同时下落到地面，证明了当空气阻力和某些其它力没有作用在物体上时，它们会以同样的速度着地。

      为了创造类似于太空不含空气的环境，考克斯教授参访的真空室，能够将30吨的空气抽走，直到剩余2克空气。这个NASA真空室建于1969年，高122英尺（37.2米）、直径100英尺（30.5米），由铝制成，以应对辐射，但仍需要一个外部的混泥土外壳，以确保它足够强大来容纳里面的真空。NASA真空室起初用于测试核推进系统，现在主要用来测试航天器，考克斯教授用它来测试一个令人印象深刻的实验。

      首先，考克斯教授通过升降机架将保龄球和一些羽毛升到高空，在有空气环境中将它们下落到地面。第一个实验中，保龄球直落到地面，而羽毛缓缓飘落，由于室内存在空气阻力。他提到了伽利略的早期实验，也测试了相同的假设。“伽利略的实验很简单，”考克斯教授解释道“他拿起了一个重的和一个轻的物体，然后同时放手，看看它们哪个下落的更快”。

      但伽利略的实验只证明了，两个外形相当的物体虽然重量不同却能同时着地，不能亲自证明重量和表面积都相异的情况如何同时下落。毕竟，那时17世纪并没有考克斯教授如此大的真空室来做更有说服力的实验。

      然后，考克斯教授工作人员将真空室大门关闭。密室里有80万立方英尺（约2.3万立方米）的空气，需要三个小时才能抽成真空环境。“一旦完成，密室里将有近乎完美的真空”，和控制中心人员一起的考克斯教授说道，其中一个工程师按下释放按钮，保龄球和羽毛从空而落就像第一个实验一样。不过这次，它们以完全相同的速率着落到地面，让他们非常惊喜。“它们真的同时落地了！”，“天啊”考克斯教授和工程师们都非常兴奋。

      考克斯教授开展这项实验不仅是为了证明伽利略和牛顿是正确的，还证明一个更有趣的假设，由20世纪物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）提出的。

      “艾萨克·牛顿可能会说，保龄球和羽毛之所以会下落，是因为存在一种力拉着它们下来” 考克斯教授解释道，“但爱因斯坦想像的情景完全不同。他一生中最快乐的想法就是这样的，保龄球和羽毛一起下落的原因是，它们并不是在下落，它们是在保持静止状态，完全没有力作用在它们上面。他的理由是，如果你不看它们的背景环境，那就完全没办法知道，保龄球和羽毛正在朝着地球加速。所以，他下了结论：它们的确没有。”

      通过改进牛顿的早期理论，使得爱因斯坦能够更准确的定义自己的狭义相对论。这揭示了空间和时间的关系，其中一个结论是：没有任何东西可以比光传播得快。

      爱因斯坦的狭义相对论表明了空间和时间是如何相互作用的，还有重力对宇宙的作用效果。这是最早在1905年由爱因斯坦提出的，并在2004年发射的NASA重力探测器来证明他的理论。

      根据牛顿理论，认为引力变化只是瞬间的，这显然打破了物理定律。但根据爱因斯坦提出的，认为两个物体完全没有在下落。如果把你与其中一个物体交换，也就是说，如果一个人在箱子里面，这个人将不知道他们正在同时下落。

      这也是考克斯教授在视频最后陈述的意思，如果以真空室其中一个下落物体为参考系，这将无从了解到有什么力正在作用。这后来被称为等价性原理，在本质上，它表明质量独立于其它力，比如地心引力。

      长话短说吧，考克斯教授的实验折射出了——爱因斯坦称为“我一生最快乐的想法”的影子。