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一个难以被超越的理论

来源:贸讯网 添加时间:2018-07-09 11:49

在距离地球4200光年的金牛座方向上,有一个三星系统,它的编号是PSR J0337+1715。在这个系统中,有一对奇异的“情侣”:一颗是质量为太阳的1.4倍、大小却与阿姆斯特丹近似的中子星,另一颗是质量只有太阳的0.2倍、大小却与地球相似的白矮星,它们每1.6天会绕着彼此运转一周。而在距离它们较远的地方,有另一颗白矮星每327天围绕着这对情侣运行一周。
 
 
○ PSR J0337+1715的艺术想象图。| 图片来源:NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello
在2011年的时候,美国国家科学基金会(NSF)的绿岸望远镜(GBT)的科学家发现这个拥有极端条件的三星系统,是检验爱因斯坦理论的绝佳天然实验室。7月4日,研究人员在《自然》杂志上发表了他们的最新实验结果:爱因斯坦再次被证明是正确的,这意味着要超越他的理论又更加困难了。
 
爱因斯坦的广义相对论是迄今为止描述引力最成功的理论,自提出之后的100多年来,科学家不断地尝试在各种不同的条件下对它进行检验。就像所有成功的理论一样,广义相对论做出了许多可检验的预言。其中一个最重要的便是“等效原理”,它是指所有的物体,无论它们大小如何或是由什么构成,都会以相同的方式下落。
两种质量
 
 
为了更好的理解这是怎么一回事,让我们先从最基础的开始。
 
在手中握一个物体,不管这个物体是什么,它都会具有一定质量。我们对这一质量进行思考的方式可以有两种。牛顿教导我们的是,如果我们对一个物体施加作用力,那么它就会具有一个加速度,加速度的大小与施加的力成正比,与物体本身的质量成反比。比如你向一辆熄火了的汽车施加一个推动力,或许无法让它很快加速,但若将同样大小的力施加到一个超市的购物车上,或许就能把它推送到很远的地方。当我们考虑一个物体的加速度是由施加在它身上的力所引起的时候,我们考虑的是物体的“惯性质量”。
 
任意两个具有质量的物体会通过引力相互吸引。因此,你手中握住的物体会受地球吸引,而将它向下吸引的力的大小取决于物体本身的质量。在这种情况下,我们考虑的是它的“引力质量”。
 
如果释放手中的物体,重力将吸引物体向地面作“自由落体”的加速运动。把物体拉下来的力的大小取决于引力质量,但加速度的大小取决于惯性质量。现在的问题是,这两种质量有什么区别吗?为了找到答案,我们可以写一个连接这两种质量的运动方程:让方程的一侧是惯性质量,另一侧为引力质量。
 
我们可以用一个实验来检验这一方程所预测的东西:如果惯性质量等同于引力质量,那么所有物体无论其质量为何,都应以相同的加速度落向地球。也就是前面所说的“等效原理”。
 
○ 花盆和鲸鱼在相同的引力场中有相同的加速度,因此它们将同时着陆。| 图片来源:[4]
早在16世纪的时候,伽利略就发现,在同一高度上同时释放两个质量不同的物体,它们将同时落地。然而在地球上,还有一个力会作用在坠落物体上,那就是空气阻力。如果你释放的是一把锤子和一片羽毛,那么羽毛会落后于锤子,轻轻地飘到地面,它的运动并非严格的自由落体。但如果在没有大气阻力的月球上进行这个实验,等效原理就很明显(如同宇航员大卫·斯科特所做的那样)。
 
虽然,等效原理已经多次在地球和月球上被验证,但我们并不清楚该理论是否适用于所有的情况,例如当研究的对象是那些极度致密的天体。如果在某些情况下,我们能够发现不同于广义相对论的预言的差异,哪怕这种差异是微末的,都意味着我们需要修正现在的引力理论。
 
特别是,科学家一直想知道,自由落体的普遍性是否适用于具有很强的“自引力”的物体,也就是说它们自身能产生较强的引力场。事实上,一些修正过的引力理论认为,自引力强的物体在自由落体过程中可能会违背等效原理,而不同于广义相对论所认为的应该具有普遍性。
星星之舞
 
 
为了验证科学家的猜测,他们在宇宙中寻找那些奇异的天体,最终锁定了文章开头提到的由两颗白矮星和一颗中子星组成的三星系统。更精确地说,这颗中子星是一颗“毫秒”射电脉冲星,它每秒会旋转366次,并像灯塔一样有规律的发射出脉冲。然而这只是观测者效应,从脉冲星的两极释放的是连续不断的辐射,但是天文仪器只有在它们指向地球的时候才能探测到这些光束。而且由于脉冲星的旋转,它们会以恒定的间隔将极点指向地球。
 
我们可以将脉冲星和白矮星组成的情侣系统的运动视为它们朝着另一颗白矮星进行自由落体,这就好比是发生在地球周围的卫星一样,它们所作的是没有抵达地面的自由落体。当然,脉冲星和白矮星本身就是质量很大的天体,具有很强的自引力。根据广义相对论的预测,尽管这对白矮星-脉冲星情侣在质量和自引力方面存在差异,但它们是朝着外面的那颗白矮星作自由落体,因此它们的加速度应该完全相同。
 
 
○ 如果惯性质量≠引力质量,那么脉冲星的轨道将会发生轻微的摇摆,也就是说脉冲星的运行路径与内部白矮星的运行路径之间会出现差异。这种摇摆会导致脉冲星辐射的到达时间与预期稍微不同。| 图片来源:[4] 
研究人员通过监测这颗脉冲星发射的射电波来跟踪它的运动。结合持续六年监测的观测结果,天体物理学家仔细地模拟了这对情侣的轨道。他们测量了一个名为Delta的参数,它描述的是白矮星和质量更大的脉冲星的加速度之间的分数差异。如果广义相对论是对的,那么Delta应该等于零。观测结果表明,在测量允许的不确定性范围内,这两个加速度之间差异确实在统计上与零一致。Delta小于0.0000026的可信度为95%。
新的结果比之前进行过的任何测量都要好得多。它为证明广义相对论仍是描述引力的最佳模型提供了宝贵的、新的实验性证据。因此,现在我们或许不太需要任何新的或修改过的理论。而这一结果,刚好出现在天文学家首次在星系尺度上验证广义相对论的不久之后(详见:《在另一个星系中,验证爱因斯坦的理论》)。
 
 
○ 自广义相对论提出之后,就一直有少数物理学家试图提出替代的理论。此次结果直接排除了一些版本的弦理论,以及一些版本的Brans-Dicke理论。| 图片来源:[4]
那么,广义相对论会有失效的时候吗?某种程度上,我们希望会是那样的,因为那将预示着新物理学的诞生。但令人震惊又欣慰的是,谱写于一个世纪之前的广义相对论,成功地经受住了所有最严苛的检验,它无疑是人类最令人难以置信的智慧瑰宝之一。
 

(责任编辑:任业海)

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