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爱因斯坦又对了! 4200光年远的三星系统证实了他的引力理论

想证明爱因斯坦出错的路越来越艰难。构成广义相对论一个极关键的原则即等效原理(equivalence principle,EP),科学家至今都还在持续验证,只要找到推翻等效原理的证据,就等于推翻爱因斯坦。但不是现在,天文学家最近才在至今最严苛的条件下,宣布广义相对论又通过考验。

最近有关爱因斯坦理论的验证实验相当多,随着技术精进,后世天文学家得以从更大天文尺度来检测爱因斯坦的思想。

等效原理告诉我们,重力场中所有物体无论质量大小或成分差异,加速度都相同,科学家当然已在太阳系多次验证,最著名的实验莫过于 1971 年,NASA 太空人大卫‧史考特(David Scott)在月球同时丢下一根羽毛和一把锤子,两者同时击中月球表面(不过如果你在地球上做这个实验,锤子铁定比羽毛更快到达地面,因为羽毛受到大气另一个力更多影响:空气阻力)。

这一次,天文学家又做了一个实验,不过物体不再是小而美的锤子和羽毛,而是脉冲星和白矮星。

根据美国国家电波天文台,绿堤望远镜(GBT)于 2011 年时,从距离地球约 4,200 光年处发现三星系统 PSR J0337 1715,成员包含 2 颗白矮星及 1 颗超高密度脉冲星(一种中子星),脉冲星为伴星,与其中一颗白矮星每 1.6 天互绕一圈,两者每 327 天再绕行另一颗白矮星一圈。

自那时起,绿堤望远镜、荷兰 westerbork 电波望远镜(WSRT)以及波多黎各的阿雷西博天文台(一架单面口径电波望远镜)开始投入观察该系统长达 6 年,获取数据计算每个物体相对于另一个物体的移动方式,以测试在极端天体条件下,爱因斯坦理论持续成真,还是终于失效。

这段期间,各界更有不少声音等着这次实验推翻爱因斯坦,因为除广义相对论外的其他引力理论,都预测强等效原理会在某种尺度下失效。

于脉冲星旋转极其规律,可与地球最精确的原子钟相媲美,绿堤望远镜为世界最敏感的电波望远镜之一,精确得出该系统脉冲星每秒旋转 366 次;此外,这颗脉冲星直径只有 24 公里,却压缩了高达太阳 1.4 倍的质量,与脉冲星互相绕行的白矮星质量只有太阳 0.2 倍,大小却相当于地球。

简单来说,这两颗天体本质完全不同,但如果爱因斯坦和等效原理是对的,那么它们在另一颗白矮星的引力拉动下加速度应该相同,描述白矮星与脉冲星之间加速度差异的 Delta 参数也应该要等于 0;如果爱因斯坦错了,那么天文学家会看到互绕的白矮星和中子星之间产生某种摆动,两颗天体的轨道可能更偏向椭圆形。

终于,6 年观测结果表明,恭喜广义相对论又赢了,在大家拭目以待的眼光及极端条件测试下依然屹立不倒。分析显示,在测量不确定性范围内,两者加速度差异接近 0,或说在 95% 信赖区间内,Delta 值小于 0.0000026,误差幅度仅 30 米。

这发现立刻排除了几种替代理论,包括弦理论的某些解释。研究也证实了,广义相对论仍是目前理解宇宙的最合理方式,这份一世纪前写下的理论,可说是人类最难以置信的成就之一。

新论文已发表在《自然》(nature)期刊。

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