機(jī)器之心報(bào)道

編輯：小舟、張倩

經(jīng)過一場歷時(shí) 16 年的嚴(yán)格測試，愛因斯坦廣義相對論依然屹立不倒。

廣義相對論是愛因斯坦在 1915 年完成、1916 年正式發(fā)表的重要引力理論。該理論在天體物理學(xué)中有著非常重要的應(yīng)用：它直接推導(dǎo)出某些大質(zhì)量 恒星會(huì)終結(jié)為一個(gè)黑洞。

從 1916 年正式發(fā)表以來，物理學(xué)界對于這一理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證就從未停止。其中，東英吉利大學(xué)（UEA）和曼徹斯特大學(xué)的研究人員聯(lián)合進(jìn)行了一項(xiàng)長達(dá) 16 年的實(shí)驗(yàn)。

這個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)通過遍布全球的七臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡觀察一對脈沖星，以此來進(jìn)行一些迄今為止最嚴(yán)格的廣義相對論測試。結(jié)果證明，廣義相對論經(jīng)受住了考驗(yàn)。

該研究于 12 月 13 日發(fā)表在《Physical Review X》雜志上?！高^去 16 年里，我們對雙脈沖星的觀測被證明與愛因斯坦的廣義相對論驚人地一致，精確程度在 99.99% 以內(nèi)?！拐撐淖髡弑硎?。

論文地址：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.041050

盡管實(shí)驗(yàn)已經(jīng)非常精確，但論文作者之一、UEA 物理學(xué)院的 Robert Ferdman 博士還是提醒說：「盡管愛因斯坦的廣義相對論已被證明非常成功，但我們知道這并不是引力理論的最終定論?！?/p>

為什么要挑戰(zhàn)廣義相對論？

盡管廣義相對論已經(jīng)提出 100 多年，但世界各地的科學(xué)家仍在努力尋找該理論中的缺陷。該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為廣義相對論與量子力學(xué)所描述的其他基本力不兼容，因此當(dāng)前應(yīng)該盡可能地對廣義相對論進(jìn)行最嚴(yán)格的測試，以發(fā)現(xiàn)該理論的缺陷。

研究者稱：「廣義相對論如果存在偏差，將是一項(xiàng)重大的發(fā)現(xiàn)，將為物理學(xué)打開目前對宇宙的理論理解之外的一扇新窗。這可能有助于我們最終發(fā)現(xiàn)關(guān)于自然基本力的統(tǒng)一理論?！?/p>

實(shí)驗(yàn)是如何進(jìn)行的？

在馬克斯普朗克射電天文研究所 Michael Kramer 的帶領(lǐng)下，來自十個(gè)國家的國際研究團(tuán)隊(duì)對愛因斯坦的理論進(jìn)行了迄今為止最嚴(yán)格的測試。

該研究基于由團(tuán)隊(duì)成員在 2003 年發(fā)現(xiàn)的雙脈沖星進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，它是目前用來測試愛因斯坦理論最精確的實(shí)驗(yàn)室。盡管廣義相對論是在這類極端恒星以及用于研究它們的技術(shù)都未知的時(shí)候構(gòu)思出來的。

Ferdman 博士介紹說：「脈沖星是一種高度磁化的旋轉(zhuǎn)致密恒星，它從其磁極發(fā)射電磁輻射束?！姑}沖星的質(zhì)量比太陽還大，但它們的直徑只有 15 英里左右，因此它們的密度非常高，它們產(chǎn)生的無線電波束像燈塔一樣掃過天空。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的雙脈沖星由兩顆脈沖星組成，它們在短短 147 分鐘內(nèi)以大約 100 萬公里 / 小時(shí)的速度相互環(huán)繞。其中一顆脈沖星（主星）旋轉(zhuǎn)得非?？?，大約每秒 44 次，而另一顆脈沖星（伴星）的自轉(zhuǎn)周期約為 2.8 秒。它們圍繞彼此的運(yùn)動(dòng)幾乎可以用作完美的引力實(shí)驗(yàn)室，可以在存在非常強(qiáng)的引力場的情況下測試引力理論。

該研究測試了愛因斯坦理論的基石，即引力波攜帶的能量。其精度是諾貝爾獎(jiǎng)得主發(fā)現(xiàn)的 Hulse-Taylor 脈沖星的 25 倍，是目前使用的引力波探測器的精度的 1000 倍。

這些觀測結(jié)果不僅與理論一致，而且該研究還觀察到了以前無法研究的一些現(xiàn)象。

從發(fā)現(xiàn)雙脈沖星系統(tǒng)開始，喬卓爾 · 班克天文臺(tái)的洛弗爾望遠(yuǎn)鏡每隔幾周就會(huì)對其進(jìn)行一次監(jiān)測。這種高質(zhì)量和頻繁觀測提供了一個(gè)極好的數(shù)據(jù)集，可以與來自世界各地天文臺(tái)的數(shù)據(jù)相結(jié)合。

論文作者之一、不列顛哥倫比亞大學(xué)的 Ingrid Stairs 教授介紹說：「我們跟蹤從一個(gè)脈沖星發(fā)出的無線電光子的傳播，并跟蹤它們在另一個(gè)脈沖星（伴星）的強(qiáng)引力場中的運(yùn)動(dòng)?！?/p>

該研究首次觀測到光是如何由于伴星周圍強(qiáng)烈的時(shí)空曲率而延遲的，并檢測到光以 0.04 度的微小角度偏轉(zhuǎn)。以前從未在如此高的時(shí)空曲率下進(jìn)行過這樣的實(shí)驗(yàn)。

來自澳大利亞國家科學(xué)機(jī)構(gòu) CSIRO 的 Dick Manchester 教授表示，「像這樣的緊湊物體的快速軌道運(yùn)動(dòng)——它們的質(zhì)量比太陽大 30%，但直徑只有 24 公里——讓我們能夠測試廣義相對論的許多不同預(yù)測——總共 7 個(gè)！」

「除了引力波和光傳播，我們的精度還允許我們測量『時(shí)間膨脹』的影響，這種影響使時(shí)鐘在引力場中運(yùn)行得更慢。」

「在考慮快速旋轉(zhuǎn)的脈沖星發(fā)出的電磁輻射對軌道運(yùn)動(dòng)的影響時(shí)，我們甚至需要考慮愛因斯坦的著名方程 E = mc^2。這種輻射相當(dāng)于每秒損失 800 萬噸的質(zhì)量！雖然看起來很多，但其實(shí)這只是脈沖星每秒質(zhì)量的很小一部分?！?/p>

研究人員還以百萬分之一的精度測量到，該軌道改變了它的方向，這是一種眾所周知的相對論效應(yīng)，在水星軌道上也有，但在這里要強(qiáng) 14 萬倍。

他們意識(shí)到，在這個(gè)精度水平上，他們還需要考慮脈沖星的旋轉(zhuǎn)對周圍時(shí)空的影響，它是隨著旋轉(zhuǎn)的脈沖星被一起「拖動(dòng)」的。

該研究的另一位主要作者、MPIfR 的 Norbert Wex 博士說：「物理學(xué)家將其稱之為冷澤 - 提爾苓效應(yīng)或參考系拖拽。在我們的實(shí)驗(yàn)中，這意味著我們需要考慮脈沖星作為中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，我們的測量首次允許我們使用精確跟蹤中子星旋轉(zhuǎn)的技術(shù)（脈沖星計(jì)時(shí)技術(shù)），以獲得對中子星擴(kuò)展的約束?！?/p>

脈沖星計(jì)時(shí)技術(shù)與精密的干涉測量系統(tǒng)相結(jié)合，以高分辨率成像確定其距離，結(jié)果是 2400 光年的值，誤差僅為 8%。

來自澳大利亞斯威本大學(xué)的 Adam Deller 教授也是該團(tuán)隊(duì)的一員，他表示，「不同且互補(bǔ)的觀察技術(shù)結(jié)合在一起，增加了實(shí)驗(yàn)的極端價(jià)值。過去，類似的研究經(jīng)常因?yàn)槲覀儗@些系統(tǒng)的距離知之甚少而受到阻礙。」

現(xiàn)在，情況已經(jīng)完全不同了。除了脈沖星計(jì)時(shí)和干涉法外，從星際介質(zhì)效應(yīng)中所獲得的信息也被仔細(xì)地考慮在內(nèi)。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的 Bill Coles 教授對此表示贊同：「我們收集了關(guān)于該系統(tǒng)的所有可能的信息，并得出了一個(gè)一致的圖景。這個(gè)圖景涉及到許多物理研究領(lǐng)域，如核物理、引力、星際介質(zhì)、等離子體物理等等。這是非常不同尋常的?！?/p>

同樣來自 MPIfR 的 Paulo Freire 表示，「我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對其他實(shí)驗(yàn)性研究形成了很好的補(bǔ)充，那些研究在其他條件下測試引力或觀察不同的影響，比如利用引力波探測器或事件視界望遠(yuǎn)鏡。它們還補(bǔ)充了其他脈沖星實(shí)驗(yàn)，比如我們在恒星三重系統(tǒng)中對脈沖星的計(jì)時(shí)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)為自由落體的普遍性提供了獨(dú)立而卓越的檢驗(yàn)。」

Kramer 教授補(bǔ)充說，「我們已經(jīng)達(dá)到了前所未有的精確水平。未來用更大的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)將推動(dòng)人類走得更遠(yuǎn)。我們的研究已經(jīng)表明了此類實(shí)驗(yàn)需要以何種方式進(jìn)行，以及哪些微妙的影響需要納入考慮?？傆幸惶煳覀儠?huì)發(fā)現(xiàn)廣義相對論的一個(gè)偏差。」

參考鏈接：https://scitechdaily.com/challenging-einsteins-greatest-theory-in-16-year-experiment-theory-of-general-relativity-tested-with-extreme-stars/

原標(biāo)題：《愛因斯坦yyds？廣義相對論剛剛通過了一場歷時(shí)16年的嚴(yán)格檢驗(yàn)》

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