愛因斯坦廣義相對論出色地通過了有史以來最嚴格的考驗

來自專欄 DeepTech深科技159 人贊了文章

1915 年，愛因斯坦提出了廣義相對論，用來描述物質間引力相互作用。廣義相對論首次把引力場解釋成時空的彎曲——大質量物體將宇宙結構扭曲，創造出一口彎曲的「井」，其他物體則會圍繞其運行。

一百多年後，這一理論出色地通過了有史以來最嚴格的考驗，等效原理對三星系統的預測與觀測到的脈衝星周期吻合。

廣義相對論

廣義相對論是現代物理中基於相對性原理利用幾何語言描述的引力理論。該理論由阿爾伯特·愛因斯坦等人自1907年開始發展，最終在1915年基本完成。在廣義相對論中，引力被描述為時空的一種幾何屬性（曲率），而時空的曲率則通過愛因斯坦場方程和處於其中的物質及輻射的能量與動量聯繫在一起。

從廣義相對論得到的部分預言和經典物理中的對應預言非常不同，尤其是有關時間流易、空間幾何、自由落體的運動以及光的傳播等問題，例如引力場內的時間膨脹、光的引力紅移和引力時間延遲效應。

像所有科學理論一樣，廣義相對論也做出了可檢驗的預測。其中最重要、最根本的是「等效原理」。其基本含義是，在任何一個時空點上都可以選取適當的參考系，使一切物質的運動方程中不再含有引力項，即引力可以局部地消除。

牛頓的理論曾告訴我們，如果我們對物體施加一個力，這個力將提供一個加速度，這個加速度與施加力的大小成正比，與物體的質量成反比。推動一輛破舊的汽車它根本不會很快加速，但如果用同樣的力推購物車，你可以很輕易推動它。當考慮施加在物理上的力導致加速時，我們考慮的是物體的「慣性質量」。

而有質量的兩個物體通過重力彼此吸引。如你手中握住一個被地球吸引的物體時，地球對物體的吸引力也取決於物體的質量。在這種情況下，我們考慮的是物體的「引力質量」。

那麼，「慣性質量」和「引力質量」有什麼區別嗎？為了找到答案，我們可以通過實驗測試這一問題：如果慣性質量等於引力質量，那麼所有物體都以同樣的方式落下，無論它們有多大或者它們是由什麼構成的。這就是「等效原理」。

伽利略是最早注意到這一點的科學家，他發現不同物體沿斜面的下滑運動是一樣的, 即引力加速度與物體的組成無關。此外，研究人員已經在地球上多次證實了等效原理，高中物理中自由落體的章節曾介紹過經典的「牛頓管」實驗。另一個著名的驗證實驗則是在月球上完成的：1971 年，「阿波羅」 15 號宇航員大衛·斯科特站在月球表面，同時讓一根羽毛和一把鎚子自由落體，二者同時落地。而在地球上，由於空氣阻力的關係，鎚子會比羽毛先落到地面。

圖 | 牛頓管

但是，等效原理是否也真正適用任何情況，包括物體密度或者質量非常大的極端狀況？這樣的問題給反對引力理論的人們帶來了希望，儘管這樣的人仍然是少數。

三星系統的等效原理

最近，一個國際天文學家團隊在極端條件下測試了等效原理：該觀測系統由兩個超級恆星的「屍體」——白矮星，和一顆密度更大的中子星組成。他們的觀察結果可能會讓反相對論人士不再那麼樂觀了。

快速旋轉的中子星被稱為脈衝星，它們從兩極連續不斷地射出輻射。但是只有在這種輻射射向地球時，天文學儀器才能檢測到它們。由於脈衝星的旋轉，每隔一段時間，脈衝星的極點便可以指向地球。

圖 | 脈衝星

研究人員觀察的天文系統編號為 PSR J0337 + 1715，距離地球 4200 光年，位於金牛座方向。該脈衝星每秒旋轉 366 次，與一顆白矮星共軌；這對星體每 1.6 個地球日繞一個共同的質心旋轉一周。這兩個星體同時還在另一顆相距甚遠的白矮星的軌道上運行，運行周期為 327 天。

圖 | PSR J0337 + 1715系統

脈衝星的質量是太陽質量的 1.4 倍，但大小僅相當於荷蘭的阿姆斯特丹，而距離中心較近的白矮星質量為太陽的五分之一，體積與地球相當（太陽的體積是地球的 130 萬倍，質量為地球的 33 萬倍！）所以，它們可以構成驗證等效原理的極端條件。根據等效原理，它們應該以同樣的方式被距離中心較遠的那顆白矮星拉動。

研究人員通過監測脈衝星的無線電波發射來跟蹤脈衝星的運動。他們利用荷蘭的 Westerbork 合成射電望遠鏡、西弗吉尼亞州的綠岸天文望遠鏡和波多黎各的阿雷西博天文台，整整研究了 6 年。

「自從我們開始觀察以來，我們可以解釋中子星的每一次脈衝，」阿姆斯特丹大學和荷蘭射電天文學研究所的博士後研究者 Anne Archibald 在一份聲明中表示，「我們可以將該脈衝星的位置和去向確定在幾百米之內。這是一個非常準確的軌道」。

如果脈衝星軌道發生畸變，即中子星的路徑與其白矮星伴星的路徑有差異，那就說明等效原理可能出問題了。這種差異會導致研究人員接收到脈衝星輻射的時間與預期稍微不同。

目前，研究人員沒有發現任何這種畸變。

阿姆斯特丹大學的博士生 Nina Gusinskaia 在同一份聲明中肯定地表示：「如果存在差異，這一差異也不會超過百萬分之三。」

引力理論又一次贏了

現在，對於任何反對引力理論的人來說，他們正確的可能性又減小了不少，因為引力理論的替代理論不能與最新的觀測結果相悖。

研究團隊觀測到的結果又將一些引力理論的替代理論進行了排除，其中包括弦理論的一些版本。同時，這一結果證實了目前對引力理論的理解，即，廣義相對論仍然是理解宇宙的合理方式。

「對廣義相對論的驗證有著很長的歷史，」在另一篇發表在《自然》上的論文作者Clifford M. Will 表示，「不同材料對重力的響應如此一致，這是十分獨特的。在愛因斯坦為我們展示的獨特視角中，這一切背後是有原因的：引力並不是通過精細的方式作用在物體的粒子上，而僅僅是影響了時空的幾何形狀。物質的組成遵循時空的普遍路徑，這一路徑是由眾多天體構建出來的。」

我們會發現違背廣義相對論的情況嗎？在某種程度上物理學家們希望如此，因為這些新現象將推動物理學的發展。但一個世紀前已提出的廣義相對論成功至今，已是人類科學史上一項十分偉大的成就。