愛因斯坦又對了!等效原理歷時 6 年,通過三星系統極端條件檢測

作者 | 發布日期 2018 年 07 月 06 日 18:06 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly

想證明愛因斯坦出錯的路越來越艱難。構成廣義相對論一個極關鍵的原則即等效原理(equivalence principle,EP),科學家至今都還在持續驗證,只要找到推翻等效原理的證據,就等於推翻愛因斯坦。但不是現在,天文學家最近才在至今最嚴苛的條件下,宣布廣義相對論又通過考驗。



最近有關愛因斯坦理論的驗證實驗相當多,隨著技術精進,後世天文學家得以從更大天文尺度來檢測愛因斯坦的思想。

等效原理告訴我們,重力場中所有物體無論質量大小或成分差異,加速度都相同,科學家當然已在太陽系多次驗證,最著名的實驗莫過於 1971 年,NASA 太空人大衛‧史考特(David Scott)在月球同時丟下一根羽毛和一把錘子,兩者同時擊中月球表面(不過如果你在地球上做這個實驗,錘子鐵定比羽毛更快到達地面,因為羽毛受到大氣另一個力更多影響:空氣阻力)。

這一次,天文學家又做了一個實驗,不過物體不再是小而美的錘子和羽毛,而是脈衝星和白矮星。

根據美國國家電波天文台,綠堤望遠鏡(GBT)於 2011 年時,從距離地球約 4,200 光年處發現三星系統 PSR J0337 + 1715,成員包含 2 顆白矮星及 1 顆超高密度脈衝星(一種中子星),脈衝星為伴星,與其中一顆白矮星每 1.6 天互繞一圈,兩者每 327 天再繞行另一顆白矮星一圈。

自那時起,綠堤望遠鏡、荷蘭 westerbork 電波望遠鏡(WSRT)以及波多黎各的阿雷西博天文台(一架單面口徑電波望遠鏡)開始投入觀察該系統長達 6 年,獲取數據計算每個物體相對於另一個物體的移動方式,以測試在極端天體條件下,愛因斯坦理論持續成真,還是終於失效。

這段期間,各界更有不少聲音等著這次實驗推翻愛因斯坦,因為除廣義相對論外的其他引力理論,都預測強等效原理會在某種尺度下失效。

▲ 三星系統示意圖,此為 HD 188753 系統。(Source:NASA

由於脈衝星旋轉極其規律,可與地球最精確的原子鐘相媲美,綠堤望遠鏡為世界最敏感的電波望遠鏡之一,精確得出該系統脈衝星每秒旋轉 366 次;此外,這顆脈衝星直徑只有 24 公里,卻壓縮了高達太陽 1.4 倍的質量,與脈衝星互相繞行的白矮星質量只有太陽 0.2 倍,大小卻相當於地球。

簡單來說,這兩顆天體本質完全不同,但如果愛因斯坦和等效原理是對的,那麼它們在另一顆白矮星的引力拉動下加速度應該相同,描述白矮星與脈衝星之間加速度差異的 Delta 參數也應該要等於 0;如果愛因斯坦錯了,那麼天文學家會看到互繞的白矮星和中子星之間產生某種擺動,兩顆天體的軌道可能更偏向橢圓形。

終於,6 年觀測結果表明,恭喜廣義相對論又贏了,在大家拭目以待的眼光及極端條件測試下依然屹立不倒。分析顯示,在測量不確定性範圍內,兩者加速度差異接近 0,或說在 95% 信賴區間內,Delta 值小於 0.0000026,誤差幅度僅 30 公尺。

這發現立刻排除了幾種替代理論,包括弦理論的某些解釋。研究也證實了,廣義相對論仍是目前理解宇宙的最合理方式,這份一世紀前寫下的理論,可說是人類最難以置信的成就之一。

新論文已發表在《自然》(nature)期刊。

(首圖來源:美國國家電波天文台

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