一個難以被超越的理論，愛因斯坦的廣義相對論通過了最嚴苛的檢驗

在距離地球4200光年的金牛座方向上，有一個三星系統，它的編號是PSR J0337+1715。在這個系統中，有一對奇異的「情侶」：一顆是質量為太陽的1.4倍、大小卻與阿姆斯特丹近似的中子星，另一顆是質量只有太陽的0.2倍、大小卻與地球相似的白矮星，它們每1.6天會繞著彼此運轉一周。而在距離它們較遠的地方，有另一顆白矮星每327天圍繞著這對情侶運行一周。

○ PSR J0337+1715的藝術想像圖。| 圖片來源：NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello

在2011年的時候，美國國家科學基金會（NSF）的綠岸望遠鏡（GBT）的科學家發現這個擁有極端條件的三星系統，是檢驗愛因斯坦理論的絕佳天然實驗室。7月4日，研究人員在《自然》雜誌上發表了他們的最新實驗結果：愛因斯坦再次被證明是正確的，這意味著要超越他的理論又更加困難了。

愛因斯坦的廣義相對論是迄今為止描述引力最成功的理論，自提出之後的100多年來，科學家不斷地嘗試在各種不同的條件下對它進行檢驗。就像所有成功的理論一樣，廣義相對論做出了許多可檢驗的預言。其中一個最重要的便是「等效原理」，它是指所有的物體，無論它們大小如何或是由什麼構成，都會以相同的方式下落。

兩種質量

為了更好的理解這是怎麼一回事，讓我們先從最基礎的開始。

在手中握一個物體，不管這個物體是什麼，它都會具有一定質量。我們對這一質量進行思考的方式可以有兩種。牛頓教導我們的是，如果我們對一個物體施加作用力，那麼它就會具有一個加速度，加速度的大小與施加的力成正比，與物體本身的質量成反比。比如你向一輛熄火了的汽車施加一個推動力，或許無法讓它很快加速，但若將同樣大小的力施加到一個超市的購物車上，或許就能把它推送到很遠的地方。當我們考慮一個物體的加速度是由施加在它身上的力所引起的時候，我們考慮的是物體的「慣性質量」。

任意兩個具有質量的物體會通過引力相互吸引。因此，你手中握住的物體會受地球吸引，而將它向下吸引的力的大小取決於物體本身的質量。在這種情況下，我們考慮的是它的「引力質量」。

如果釋放手中的物體，重力將吸引物體向地面作「自由落體」的加速運動。把物體拉下來的力的大小取決於引力質量，但加速度的大小取決於慣性質量。現在的問題是，這兩種質量有什麼區別嗎？為了找到答案，我們可以寫一個連接這兩種質量的運動方程：讓方程的一側是慣性質量，另一側為引力質量。

我們可以用一個實驗來檢驗這一方程所預測的東西：如果慣性質量等同於引力質量，那麼所有物體無論其質量為何，都應以相同的加速度落向地球。也就是前面所說的「等效原理」。

○ 花盆和鯨魚在相同的引力場中有相同的加速度，因此它們將同時著陸。| 圖片來源：[4]

早在16世紀的時候，伽利略就發現，在同一高度上同時釋放兩個質量不同的物體，它們將同時落地。然而在地球上，還有一個力會作用在墜落物體上，那就是空氣阻力。如果你釋放的是一把鎚子和一片羽毛，那麼羽毛會落後於鎚子，輕輕地飄到地面，它的運動並非嚴格的自由落體。但如果在沒有大氣阻力的月球上進行這個實驗，等效原理就很明顯（如同宇航員大衛·斯科特所做的那樣）。

雖然，等效原理已經多次在地球和月球上被驗證，但我們並不清楚該理論是否適用於所有的情況，例如當研究的對象是那些極度緻密的天體。如果在某些情況下，我們能夠發現不同於廣義相對論的預言的差異，哪怕這種差異是微末的，都意味著我們需要修正現在的引力理論。

特別是，科學家一直想知道，自由落體的普遍性是否適用於具有很強的「自引力」的物體，也就是說它們自身能產生較強的引力場。事實上，一些修正過的引力理論認為，自引力強的物體在自由落體過程中可能會違背等效原理，而不同於廣義相對論所認為的應該具有普遍性。

星星之舞

為了驗證科學家的猜測，他們在宇宙中尋找那些奇異的天體，最終鎖定了文章開頭提到的由兩顆白矮星和一顆中子星組成的三星系統。更精確地說，這顆中子星是一顆「毫秒」射電脈衝星，它每秒會旋轉366次，並像燈塔一樣有規律的發射出脈衝。然而這只是觀測者效應，從脈衝星的兩極釋放的是連續不斷的輻射，但是天文儀器只有在它們指向地球的時候才能探測到這些光束。而且由於脈衝星的旋轉，它們會以恆定的間隔將極點指向地球。

我們可以將脈衝星和白矮星組成的情侶系統的運動視為它們朝著另一顆白矮星進行自由落體，這就好比是發生在地球周圍的衛星一樣，它們所作的是沒有抵達地面的自由落體。當然，脈衝星和白矮星本身就是質量很大的天體，具有很強的自引力。根據廣義相對論的預測，儘管這對白矮星-脈衝星情侶在質量和自引力方面存在差異，但它們是朝著外面的那顆白矮星作自由落體，因此它們的加速度應該完全相同。

○ 如果慣性質量≠引力質量，那麼脈衝星的軌道將會發生輕微的搖擺，也就是說脈衝星的運行路徑與內部白矮星的運行路徑之間會出現差異。這種搖擺會導致脈衝星輻射的到達時間與預期稍微不同。| 圖片來源：[4]

研究人員通過監測這顆脈衝星發射的射電波來跟蹤它的運動。結合持續六年監測的觀測結果，天體物理學家仔細地模擬了這對情侶的軌道。他們測量了一個名為Delta的參數，它描述的是白矮星和質量更大的脈衝星的加速度之間的分數差異。如果廣義相對論是對的，那麼Delta應該等於零。觀測結果表明，在測量允許的不確定性範圍內，這兩個加速度之間差異確實在統計上與零一致。Delta小於0.0000026的可信度為95%。

新的結果比之前進行過的任何測量都要好得多。它為證明廣義相對論仍是描述引力的最佳模型提供了寶貴的、新的實驗性證據。因此，現在我們或許不太需要任何新的或修改過的理論。而這一結果，剛好出現在天文學家首次在星系尺度上驗證廣義相對論的不久之後（詳見：《在另一個星系中，驗證愛因斯坦的理論》）。

○ 自廣義相對論提出之後，就一直有少數物理學家試圖提出替代的理論。此次結果直接排除了一些版本的弦理論，以及一些版本的Brans-Dicke理論。| 圖片來源：[4]

那麼，廣義相對論會有失效的時候嗎？某種程度上，我們希望會是那樣的，因為那將預示著新物理學的誕生。但令人震驚又欣慰的是，譜寫於一個世紀之前的廣義相對論，成功地經受住了所有最嚴苛的檢驗，它無疑是人類最令人難以置信的智慧瑰寶之一。

參考來源：

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-018-0265-1

[2] https://theconversation.com/free-falling-dead-stars-show-that-a-cornerstone-of-physics-holds-up-99168

[3] https://www.space.com/41077-einstein-general-relativity-survives-test.html

[4] https://www.youtube.com/watch?v=hc3mrta7J9I

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！