为什么研究人员如此热衷于证明爱因斯坦的对错？这不仅仅因为他是一位与天才同义的杰出人物，他的工作在一个多世纪以来深刻地塑造了物理学。
相反，大部分动力源于引力本身，它在物理领域一直是个难题。包括爱因斯坦在内的物理学家长期以来都希望设计出一种统一的宇宙理论，但他们一直在努力让引力与其他基本力融合。因此，我们目前有一个引力理论（爱因斯坦的广义相对论）和一个关于其他一切的独立理论（粒子物理学的“标准模型”）。不幸的是，这两个极其成功的理论彼此不相容，有时甚至相互矛盾。
这种安排对于物理学家来说是行不通的，他们相信应该有一个涵盖一切的单一自然理论。实现长期寻求的统一的线索可能来自更好地理解广义相对论是如何以及在什么情况下失效的。
这就是为什么研究人员一直在将这个理论推向极限，试图找出它在哪里出错，以便找出将引力与物理学其他部分联系起来的最佳方法。
这一切都是等效的
研究人员认为，等效原理是广义相对论的核心原则，是可能引导他们走向最终万物理论的一个有希望的突破口。简而言之，等效原理认为，所有物体在同一引力场的影响下，无论其质量或成分如何，都会经历相同的加速度。
这种策略的一个优势是，到目前为止，所有可信的统一理论尝试都引入了新的力，这些力会导致物质与引力相互作用的方式发生极其微小的变化。如果这些理论是正确的，并且我们足够仔细地观察，我们应该会看到“等效原理违背”，即与等效原理的微小偏差。换句话说，金砖应该与银砖的下落方式略有不同，对这些差异的详细分析可以为试图构建正确统一理论的物理学家提供宝贵的线索。
“我们不知道等效原理的违背会在哪个层面出现，但我们确实相信应该有，”法国高等科学研究所 (IHES) 的理论家 Thibault Damour 说。Damour 补充说，原因是“所有将爱因斯坦的理论与其他力统一的尝试”——他认为这是该领域必不可少的工作——“都导致了等效原理的违背。”
在地球上进行的实验表明，该原理的有效性已达到万万亿分之一的精度。但一项名为 STEP（卫星等效原理测试）的太空实验可能会带来更严峻的挑战，将这些测量的精度提高 10 万倍。这种精度可能足以向物理学家展示爱因斯坦的理论在哪里开始出现偏差——假设它们确实如此。
下一步
STEP 始于 1971 年，当时是研究生 Paul Worden 的论文项目，斯坦福大学物理学家 Francis Everitt 担任论文委员会成员，随后不久担任该项目的首席科学家。Everitt 投入了半个世纪的生命来测试广义相对论，并且是 NASA 资助的引力探测器 B 卫星任务的首席研究员，该任务研究并最终验证了爱因斯坦理论的另一个方面。像引力探测器 B 一样进入太空，STEP 可以显著提高等效原理测量的精度。由于街道交通振动、地震和其他干扰，这些测量在地面上很难进行。太空提供了更平静的环境。
陶森大学物理学家詹姆斯·奥弗杜因（James Overduin）自 1999 年以来断断续续地参与了 STEP 项目，他认为另一个优势与观测时间有关。例如，如果你从比萨斜塔上扔下不同大小的球，它们的自由落体只持续几秒钟。“但你可以在太空中扔东西，它们永远不会停止下落，”奥弗杜因说；它们保持在轨道上，不断地向地球下落。这允许有更长的时间——几天或更长时间——来寻找微小的效应。
该计划要求使用四对由至少三种不同材料（如铍、铌和铂铱）制成的“测试质量”，这些材料将保存在真空中并冷却到几开尔文，从而减少可能降低测量精度的温度波动。选择材料是为了反映最广泛的化学性质，以便最容易发现加速度差异（由机载加速度计检测）。其目的再次是进行细致的测量，以显示不同成分的物体是否以不同的速度下落。
NASA 成功的引力探测器 B 任务的首席研究员弗朗西斯·埃弗里特希望有朝一日能看到 STEP 发射。| NASA/保罗·E·阿勒斯
尽管自 STEP 诞生以来已过去多年，但埃弗里特从未停止努力让该项目启动。这个拟议的任务获得了数十年的研发支持。它得到了 NASA 和欧洲航天局组建的著名评审团的认可，并受到了前 NASA 负责人丹·戈尔丁的赞扬。但尽管埃弗里特不懈地游说，该项目从未获得必要的财政支持。
美国宇航局高级项目科学家马克·李仍然相信 STEP，称其为“人类可以追求的最关键的基础物理实验之一”。他说，STEP 的坏消息是，2004 年之后，美国宇航局的基础物理项目被终止了。从那时起，它只得到了部分恢复。然而，埃弗里特仍然抱有希望。他在引力探测器 B 发射前的 40 年里一直在从事该项目的工作，该卫星于 2004 年发射。他还花了 40 年时间推动 STEP 的开发，尽管他刚满 81 岁，但他还不准备放弃。
引用著名海军英雄约翰·保罗·琼斯的话，埃弗里特喜欢说：“我还没有开始战斗。”琼斯最终在独立战争中获胜，如果运气好，STEP 可能会做同样的事情。也许这将是最终在爱因斯坦理论核心中发现裂缝的实验，一个可以指向更好的东西：一个全新的、包罗万象的宇宙理论。
法国 MICROSCOPE 任务将把一颗小型卫星送入轨道，如这张艺术家的渲染图所示，以测试等效原理。| CNES/D. Ducros
进入太空的一小步
尽管 STEP 因资金不足而迟迟未能启动，但法国的一项名为 MICROSCOPE（用于观察等效原理的微型补偿阻力卫星）的任务计划于 2016 年 3 月发射。弗朗西斯·埃弗里特将 MICROSCOPE 描述为“STEP 的室温版本”，因为它不涉及复杂的低温技术。这应该会使 MICROSCOPE 比 STEP 便宜，但精度也会降低约 1000 倍。没有人知道 MICROSCOPE 是否足够灵敏，能够检测到等效原理的违反。但作为第一个基于空间的原理测试，法国空间研究中心 Onera 的皮埃尔·图布尔和他的同事写道：“这项任务……为更宏伟的任务开辟了道路。”
[本文最初以“超越爱因斯坦”为题发表在印刷版上。]
