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爱因斯坦广义相对论出色地通过了有史以来最严

2018-12-31 07:06

  1915 年,爱因斯坦提出了广义相对论,用来描述物质间引力相互作用。广义相对论首次把引力场解释成时空的弯曲——大质量物体将宇宙结构扭曲,创造出一口弯曲的“井”,其他物体则会围绕其运行。

  一百多年后,这一理论出色地通过了有史以来最严格的考验,等效原理对三星系统的预测与观测到的脉冲星周期吻合。

  广义相对论是现代物理中基于相对性原理利用几何语言描述的引力理论。该理论由阿尔伯特·爱因斯坦等人自1907年开始发展,最终在1915年基本完成。在广义相对论中,引力被描述为时空的一种几何属性(曲率),而时空的曲率则通过爱因斯坦场方程和处于其中的物质及辐射的能量与动量联系在一起。

  从广义相对论得到的部分预言和经典物理中的对应预言非常不同,尤其是有关时间流易、空间几何、自由落体的运动以及光的传播等问题,例如引力场内的时间膨胀、光的引力红移和引力时间延迟效应。

  像所有科学理论一样,广义相对论也做出了可检验的预测。其中最重要、最根本的是“等效原理”。其基本含义是,在任何一个时空点上都可以选取适当的参考系,使一切物质的运动方程中不再含有引力项,即引力可以局部地消除。

  牛顿的理论曾告诉我们,如果我们对物体施加一个力,这个力将提供一个加速度,这个加速度与施加力的大小成正比,与物体的质量成反比。推动一辆破旧的汽车它根本不会很快加速,但如果用同样的力推购物车,你可以很轻易推动它。当考虑施加在物理上的力导致加速时,我们考虑的是物体的“惯性质量”。

  而有质量的两个物体通过重力彼此吸引。如你手中握住一个被地球吸引的物体时,地球对物体的吸引力也取决于物体的质量。在这种情况下,我们考虑的是物体的“引力质量”。

  那么,“惯性质量”和“引力质量”有什么区别吗?为了找到答案,我们可以通过实验测试这一问题:如果惯性质量等于引力质量,那么所有物体都以同样的方式落下,无论它们有多大或者它们是由什么构成的。这就是“等效原理”。

  伽利略是最早注意到这一点的科学家,他发现不同物体沿斜面的下滑运动是一样的, 即引力加速度与物体的组成无关。此外,研究人员已经在地球上多次证实了等效原理,高中物理中自由落体的章节曾介绍过经典的“牛顿管”实验。另一个著名的验证实验则是在月球上完成的:1971 年,“阿波罗” 15 号宇航员大卫·斯科特站在月球表面,同时让一根羽毛和一把锤子自由落体,二者同时落地。而在地球上,由于空气阻力的关系,锤子会比羽毛先落到地面。

  但是,等效原理是否也真正适用任何情况,包括物体密度或者质量非常大的极端状况?这样的问题给反对引力理论的人们带来了希望,尽管这样的人仍然是少数。

  最近,一个国际天文学家团队在极端条件下测试了等效原理:该观测系统由两个超级恒星的“尸体”——白矮星,和一颗密度更大的中子星组成。他们的观察结果可能会让反相对论人士不再那么乐观了。

  快速旋转的中子星被称为脉冲星,它们从两极连续不断地射出辐射。但是只有在这种辐射射向地球时,天文学仪器才能检测到它们。由于脉冲星的旋转,每隔一段时间,脉冲星的极点便可以指向地球。

  研究人员观察的天文系统编号为 PSR J0337 + 1715,距离地球 4200 光年,位于金牛座方向。该脉冲星每秒旋转 366 次,与一颗白矮星共轨;这对星体每 1.6 个地球日绕一个共同的质心旋转一周。这两个星体同时还在另一颗相距甚远的白矮星的轨道上运行,运行周期为 327 天。

  脉冲星的质量是太阳质量的 1.4 倍,但大小仅相当于荷兰的阿姆斯特丹,而距离中心较近的白矮星质量为太阳的五分之一,体积与地球相当(太阳的体积是地球的 130 万倍,质量为地球的 33 万倍!)所以,它们可以构成验证等效原理的极端条件。根据等效原理,它们应该以同样的方式被距离中心较远的那颗白矮星拉动。

  研究人员通过监测脉冲星的无线电波发射来跟踪脉冲星的运动。他们利用荷兰的 Westerbork 合成射电望远镜、西弗吉尼亚州的绿岸天文望远镜和波多黎各的阿雷西博天文台,整整研究了 6 年。

  “自从我们开始观察以来,我们可以解释中子星的每一次脉冲,”阿姆斯特丹大学和荷兰射电天文学研究所的博士后研究者 Anne Archibald 在一份声明中表示,“我们可以将该脉冲星的位置和去向确定在几百米之内。这是一个非常准确的轨道”。

  如果脉冲星轨道发生畸变,即中子星的路径与其白矮星伴星的路径有差异,那就说明等效原理可能出问题了。这种差异会导致研究人员接收到脉冲星辐射的时间与预期稍微不同。

  阿姆斯特丹大学的博士生 Nina Gusinskaia 在同一份声明中肯定地表示:“如果存在差异,这一差异也不会超过百万分之三。”

  现在,对于任何反对引力理论的人来说,他们正确的可能性又减小了不少,因为引力理论的替代理论不能与最新的观测结果相悖。

  研究团队观测到的结果又将一些引力理论的替代理论进行了排除,其中包括弦理论的一些版本。同时,这一结果证实了目前对引力理论的理解,即,广义相对论仍然是理解宇宙的合理方式。

  “对广义相对论的验证有着很长的历史,”在另一篇发表在《自然》上的论文作者Clifford M. Will 表示,“不同材料对重力的响应如此一致,这是十分独特的。在爱因斯坦为我们展示的独特视角中,这一切背后是有原因的:引力并不是通过精细的方式作用在物体的粒子上,而仅仅是影响了时空的几何形状。物质的组成遵循时空的普遍路径,这一路径是由众多天体构建出来的。”

  我们会发现违背广义相对论的情况吗?在某种程度上物理学家们希望如此,因为这些新现象将推动物理学的发展。但一个世纪前已提出的广义相对论成功至今,已是人类科学史上一项十分伟大的成就。

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