這樣也無撼動愛因斯坦的相對論

07-14

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【博科園-科學科普】繞黑洞運行二十年最終與相對論完全吻合。

銀河系黑洞周圍恆星和氣體的軌道。圖片：M. Schartmann and L. Calcada/ European Southern Observatory and Max-Planck-Institut fur Extraterrestrische Physik.

你知道嗎？測試驗證廣義相對論是一件令人煩惱的事情。然而這一理論已被證明是如此有力，以至於任何認為它不對的人都會以相當嚴肅的方式被現實所左右。我們應用的測試也受到我們的環境的限制，因為我們只能在重力很弱的地方精確地測量：在實驗室里，或者跟蹤行星的運動。這是一個範圍和力量的範圍，但它不包括真正要緊的地方——黑洞旁邊。

觀察一個黑洞周圍的軌道需要眾多支持，坦率地說，誰有時間？誰有錢為數十年的望遠鏡提供資金？幸運的是，望遠鏡已經收集了一段時間的數據，其中一些恰好包括一些黑洞附近。最近有一些科學家決定挖掘數據並測試一個超大質量黑洞附近的廣義相對論。

當心黑洞

在我們銀河系的中心，有一個黑洞，像卡爾班諾格的兔子一樣，無情的地吞噬了粗心的流浪漢。然而有一些愚蠢的恆星靠近兔子黑洞的軌道。這些恆星只有幾十年的軌道，它們經歷了相當大的引力。因此天文學家們期望對這些恆星的精確觀測可以發現與廣義相對論的偏離。

幸運的是，凱克望遠鏡已經收集了大約25年的數據，而且在那段時間裡，他們已經多次把望遠鏡轉向銀河中心。每次觀察結果都有所不同。例如望遠鏡在2005年被升級為自適應光學，其中一些觀察集中在獲得光譜數據而不是成像。這些後面的數據包含軌道速度數據，因為恆星的運動導致觀察到光的多普勒偏移。

所有這些數據以一致的方式組合，以繪製兩顆星的軌道位置和速度。這是一個相當的成就，因為每次觀察望遠鏡指向一個稍微不同的方向，使用不同的曝光時間，並考慮到其他輕微的差異。雖然其他望遠鏡也有數據可用，但公共記錄不夠詳細，不能讓科學家以一致的方式處理數據，這有點可惜，因為數據集包括來自這兩個望遠鏡的大約100次觀察結果。想像一下，如果更多的望遠鏡有可用的數據可能會獲得什麼？

在這一切之後，我們學到了什麼？廣義相對論仍然正確，它能精確地預測恆星運動。這些測量方法測試了廣義相對論，這種方法與長時間以來在高引力場中所有的相對論不同。特別是新的測量有助於擴大廣義相對論的邊界，它遵循一種修正的牛頓動力學模型。在這些模型中有一個新的力變得明顯的距離，並且力具有一些未知的特徵強度。因此天文學家們正在尋找一個與預測有明顯偏差的一致距離。然而測量告訴我們，對於任何與這些恆星軌道有關的距離，是一個新的零強度力。

或者更確切地說，一個新的力強度如此之小，以至於我們還無法測量它。結論：廣義相對論再次獲勝。

通常我會有興趣地這樣的論文，但我很少報道。問題不在於研究人員沒有發現任何東西，而是他們通常沒有找到任何東西，只是以一種比前一篇文章稍微敏感一點的方式。但這篇論文不僅僅是一個測試，它確實是一個新的開始。

阿爾伯特·愛因斯坦（1919年）（日食後的航行）（驗證廣義相對論）圖片：Public domain

一個大而開放的數據未來

科學研究中出現的一個主題是開放數據。科學總是能產生比它所能消耗的更多的數據。在過去大多數數據是在物理物體中收集的：想想天文板塊、X光圖像、電子顯微鏡圖像和許多其他類型的集合。

這些都存放在世界各地的檔案櫃里。圖像中的數據被使用過一次或兩次，除非圖像是壯觀的，難被遺忘的。需要運氣和良好的記憶力，才能認識到來自不同項目的數據之間存在著聯繫，這些數據隱藏在多箇舊數據集中。即使你能認出它，你也必須把所有的數據放在一個地方，以便在那個連接上起作用。簡單地說，好的科學受到了較差的數據可訪問性的限制。事實上做新實驗或許比較容易。

更重要的是除了少數例外，大多數以前的實驗局限在範圍內，因為每個科學家只有一輩子的時間來收集數據。

現在我們反而收穫了革命的好處。有一些實驗，就像最近幾代粒子加速器一樣，能快速創建數據，以至於沒有一個科學家團隊，不管多麼專註或多麼龐大，都可以分析所有的數據。而且有一種可以為一個目的生成數據的設備，但是數據可以用創新的方式在其他領域產生新的見解。挖掘所有這些信息對於非常緩慢的過程非常重要，在這些過程中，數據積累的時間會延續幾代人，比如氣候變化，現在的軌道力學。

粒子物理學界率先搞清楚如何處理這個問題：從大型強子對撞機（LHC）的數據，並從其前任的LEP和粒子加速器已經提供給世界各地的研究人員在相當長的一段時間。對於理論家來說，能夠通過數據查看他們是否能找到他們最新的幻想的希望是很普遍的。氣候科學家已經建立了資料庫，允許任何人測試模型和分析趨勢。結果是粒子物理的一個標準模型，抵制了幻想和氣候模型，反覆對現實進行測試。

這個沉默的革命正在擴展到每一個學科的分支，但是我們只是真正地抓住了可能隱藏在數字化數據的巨大數據中的表面。科學家現在可以想像，進行實驗，十年前，可能已經將整個事業的觀察結果用於一個數據點。今天數據可能已經存在，最重要的是可以訪問。在這方面開放數據運動可能是科學中最重要的事態發展之一。

在天文學中，指向天空的望遠鏡數量正在增加。這些望遠鏡的靈敏度越來越好。一旦觀察結果被一致記錄下來，我們將（並為後代）建立起數據寶庫。未來我們將能夠精確地檢驗我們的宇宙理論。

黑洞會從附近恆星吸取物質（圖注）

原作者：Chris Lee

編譯：中子星

審校：博科園

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