新證明！即使在極端條件下，愛因斯坦的廣義相對論仍然成立

在比薩斜塔上扔下一顆彈珠和一顆炮彈，會同時擊中地面。這一事實可以用阿爾伯特·愛因斯坦的引力理論來解釋——廣義相對論——它預測所有的物體都以同樣的方式下落，無論它們的質量或成分如何。即使是地球和月球，在它們互相環繞的過程中，也會以同樣的方式朝著太陽「墜落」。愛因斯坦的理論在實驗室和太陽系的其他地方都通過了所有測試。但是科學家們知道量子力學的行為是不同的，所以愛因斯坦的理論必須有所突破，這一原理是否也適用於極重的物體？

脈衝星和內部白矮星在外部白矮星的引力作用下下落(紅色)。在大多數引力理論中，脈衝星的強大引力意味著它會以不同於內部白矮星的加速度下落。但是愛因斯坦的理論預測，它們應該完全相同。圖片：Neil Blevins

答案是肯定的，根據一個國際天文學家團隊，包括來自威斯康辛大學密爾沃基分校。在距離地球4200光年的一個自然「實驗室」里，他們在三顆恆星的幫助下測試了這個問題。由阿姆斯特丹大學和荷蘭射電天文學研究所(ASTRON)研究人員領導的研究小組發現發表在《自然》上。

三星系統

實驗對象是一名為PSR J0337+1715的三星系統，由一顆中子星與一顆白矮星在1.6天的軌道上運行。這一對在327天的軌道上與另一顆白矮星一起運行。白矮星大約有一顆行星那麼大，它耗盡了核燃料，只剩下熾熱的核心。雖然白矮星很小而且密度很大，但沒中子星的密度大，中子星是一顆被燒毀的恆星爆炸後留下的。引力把巨大的殘骸壓成一個城市的大小核。當中子星快速旋轉並具有強磁場時，它就變成了脈衝星。

三星系統PSR J0337+1715的概念圖，它位於離地球4200光年的地方。這個系統提供了一個自然實驗室來測試引力的基本理論。圖片：NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello

脈衝星每次旋轉都會發射無線電波、x射線甚至光。研究人員僅僅通過追蹤中子星——脈衝星——來進行測量。該論文的第一作者安妮·阿奇博爾德(Anne Archibald)說：它以每秒366次的速度旋轉，無線電波的波束也隨之旋轉。它們以一定的間隔掃過地球，就像宇宙中的燈塔，用這些無線電脈衝來追蹤中子星的位置。

白矮星引力

威斯康星大學密爾沃基分校的物理學副教授、論文的合著者大衛·卡普蘭(David Kaplan)說：當脈衝星運動時，就會有某種東西引起它。如果愛因斯坦是對的，那一定是白矮星的引力使脈衝星運動。這組天文學家使用荷蘭的韋斯特伯克合成射電望遠鏡、西弗吉尼亞州的格林班克望遠鏡和波多黎各的阿雷西博天文台跟蹤這顆中子星達六年之久。如果中子星與白矮星的落差不同，那麼脈衝到達的時間就會不同於預期。但據研究人員所知，這並沒有發生。

阿奇博爾德和她的同事們發現，中子星和白矮星之間的任何加速度差異都太小，無法探測到。卡普蘭說，這個系統為研究人員提供了一個機會，讓他們能夠更敏感地測試引力的性質。卡普蘭是2012年首次發表這一系統的研究人員之一。我們在這個系統上的表現比之前的測試要好10倍。但這並不是鐵板一塊的答案。將引力與量子力學結合起來仍未解決。

不能忽略相對論

卡普蘭說：更精確地描述引力也有其他原因。如果忽視了廣義相對論，但卻試圖在手機上使用GPS，最終會遠離目的地，但我們也在試圖理解宇宙在這裡是如何運作的，仍然不明白恆星是如何運動的。阿斯特隆和阿姆斯特丹大學的副教授傑森·赫塞爾斯說：射電望遠鏡的發展為找到完美的三星系統提供了更多的機會。

荷蘭的韋斯特伯克綜合射電望遠鏡是三架用來研究三星系統的望遠鏡之一，另外還有西弗吉尼亞州的格林班克望遠鏡和波多黎各的阿雷西博天文台。圖片：ASTRON

如果按照計劃在澳大利亞和南非建造平方公里陣列，它將是世界上最大的射電望遠鏡，能夠發現更多的毫秒脈衝星，就像現在我們的銀河系所知道的那樣。在這些尚未被發現的系統中，可能潛藏著更強大的工具來理解宇宙，也許這其中之一能讓我們首次窺見愛因斯坦的理論。

博科園-科學科普｜參考期刊：Nature｜來自：威斯康星大學密爾沃基分校

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