機器之心報道

編輯：小舟、張倩

經過一場歷時 16 年的嚴格測試，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中有著非常重要的應用：它直接推導出某些大質量 恒星會終結為一個黑洞。

從 1916 年正式發(fā)表以來，物理學界對于這一理論的實驗驗證就從未停止。其中，東英吉利大學（UEA）和曼徹斯特大學的研究人員聯(lián)合進行了一項長達 16 年的實驗。

這個國際研究團隊通過遍布全球的七臺射電望遠鏡觀察一對脈沖星，以此來進行一些迄今為止最嚴格的廣義相對論測試。結果證明，廣義相對論經受住了考驗。

該研究于 12 月 13 日發(fā)表在《Physical Review X》雜志上。「過去 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。」論文作者表示。

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

盡管實驗已經非常精確，但論文作者之一、UEA 物理學院的 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。」

為什么要挑戰(zhàn)廣義相對論？

盡管廣義相對論已經提出 100 多年，但世界各地的科學家仍在努力尋找該理論中的缺陷。該研究團隊認為廣義相對論與量子力學所描述的其他基本力不兼容，因此當前應該盡可能地對廣義相對論進行最嚴格的測試，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，將是一項重大的發(fā)現(xiàn)，將為物理學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)關于自然基本力的統(tǒng)一理論。」

實驗是如何進行的？

在馬克斯普朗克射電天文研究所 Michael Kramer 的帶領下，來自十個國家的國際研究團隊對愛因斯坦的理論進行了迄今為止最嚴格的測試。

該研究基于由團隊成員在 2003 年發(fā)現(xiàn)的雙脈沖星進行實驗，它是目前用來測試愛因斯坦理論最精確的實驗室。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都未知的時候構思出來的。

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

研究團隊發(fā)現(xiàn)的雙脈沖星由兩顆脈沖星組成，它們在短短 147 分鐘內以大約 100 萬公里 / 小時的速度相互環(huán)繞。其中一顆脈沖星（主星）旋轉得非常快，大約每秒 44 次，而另一顆脈沖星（伴星）的自轉周期約為 2.8 秒。它們圍繞彼此的運動幾乎可以用作完美的引力實驗室，可以在存在非常強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 · 班克天文臺的洛弗爾望遠鏡每隔幾周就會對其進行一次監(jiān)測。這種高質量和頻繁觀測提供了一個極好的數(shù)據集，可以與來自世界各地天文臺的數(shù)據相結合。

論文作者之一、不列顛哥倫比亞大學的 Ingrid Stairs 教授介紹說：「我們跟蹤從一個脈沖星發(fā)出的無線電光子的傳播，并跟蹤它們在另一個脈沖星（伴星）的強引力場中的運動。」

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

來自澳大利亞國家科學機構 CSIRO 的 Dick Manchester 教授表示，「像這樣的緊湊物體的快速軌道運動——它們的質量比太陽大 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測——總共 7 個！」

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

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

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，在水星軌道上也有，但在這里要強 14 萬倍。

他們意識到，在這個精度水平上，他們還需要考慮脈沖星的旋轉對周圍時空的影響，它是隨著旋轉的脈沖星被一起「拖動」的。

該研究的另一位主要作者、MPIfR 的 Norbert Wex 博士說：「物理學家將其稱之為冷澤 - 提爾苓效應或參考系拖拽。在我們的實驗中，這意味著我們需要考慮脈沖星作為中子星的內部結構。因此，我們的測量首次允許我們使用精確跟蹤中子星旋轉的技術（脈沖星計時技術），以獲得對中子星擴展的約束。」

脈沖星計時技術與精密的干涉測量系統(tǒng)相結合，以高分辨率成像確定其距離，結果是 2400 光年的值，誤差僅為 8%。

來自澳大利亞斯威本大學的 Adam Deller 教授也是該團隊的一員，他表示，「不同且互補的觀察技術結合在一起，增加了實驗的極端價值。過去，類似的研究經常因為我們對這些系統(tǒng)的距離知之甚少而受到阻礙。」

現(xiàn)在，情況已經完全不同了。除了脈沖星計時和干涉法外，從星際介質效應中所獲得的信息也被仔細地考慮在內。

加州大學圣地亞哥分校的 Bill Coles 教授對此表示贊同：「我們收集了關于該系統(tǒng)的所有可能的信息，并得出了一個一致的圖景。這個圖景涉及到許多物理研究領域，如核物理、引力、星際介質、等離子體物理等等。這是非常不同尋常的。」

同樣來自 MPIfR 的 Paulo Freire 表示，「我們的實驗結果對其他實驗性研究形成了很好的補充，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鏡。它們還補充了其他脈沖星實驗，比如我們在恒星三重系統(tǒng)中對脈沖星的計時實驗，該實驗為自由落體的普遍性提供了獨立而卓越的檢驗。」

Kramer 教授補充說，「我們已經達到了前所未有的精確水平。未來用更大的望遠鏡進行的實驗將推動人類走得更遠。我們的研究已經表明了此類實驗需要以何種方式進行，以及哪些微妙的影響需要納入考慮。總有一天我們會發(fā)現(xiàn)廣義相對論的一個偏差。」

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

原標題：《愛因斯坦yyds？廣義相對論剛剛通過了一場歷時16年的嚴格檢驗》

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