挑戰愛因斯坦再一次失敗，廣義相對論地位更加鞏固，證據來自宇宙

2023-03-31 07:11:02 2

幾年前，科學家們在宇宙中發現了一個有趣的三體系統，或者說三星系統。在這個系統的中心，有一顆白矮星，而另一顆白矮星和一顆脈衝星(中子星)圍繞著它旋轉。

那麼，問題就來了:誰更快，中子星還是圍繞它運行的白矮星？

你可能認為白矮星比中子星輕。我們知道，同樣體積的一立方釐米，白矮星的物質可以重達幾噸，但中子星的物質可以達到幾億噸，是白矮星的幾億倍。這樣，在相同的重力作用下，白矮星的加速度應該比脈衝星大，並且更容易獲得高速，所以白矮星更快。

恭喜，回答錯誤。

然而，那些認為答案是中子星的人不應該太高興，因為你也沒有回答正確。

根據常識判斷，白矮星似乎會更快。但事實上，愛因斯坦廣義相對論中的強等效原理告訴我們，無論脈衝星比白矮星重多少，它們的速度都與質量無關。這兩個天體繞著同一個天體旋轉，並受到相同的重力，所以它們獲得相同的速度。

你可能認為這太奇怪了，但這是真的。當科學家觀察三體系統時，結果也證明了愛因斯坦的理論。為了便於理解，我們需要討論什麼是強等價原則。

強等價原理是廣義相對論的基礎。例如，如果一個人在一個封閉系統中，這個封閉系統有一個加速度A，這個加速度正好等於地球上的重力加速度g(9.8米/平方秒)。所以對這個人來說，他無法判斷他是在一個加速的封閉系統中還是在地球上。為什麼？因為無論他是在這個封閉的系統中還是在地球上，無論他是在做機械實驗還是電磁實驗，他都會得到完全相同的結果。

因此，雖然一個看起來是靜態的，另一個是動態的，但他的感覺是一樣的。雖然一個接收地球的重力，另一個接收閉合系統運動時產生的慣性力，但這種力對系統中物體的影響是相同的。

說到這裡，你會發現兩個系統只有一個等價的條件——相同的加速度。換句話說，這與系統中物體的質量無關。因此，如果你把羽毛和鉛球放在地球上相同的高度，羽毛和鉛球將同時落地，而不受其他力的影響，例如空空氣阻力。你可能會說:這不是伽利略在比薩斜塔的實驗嗎？是的，雖然這個實驗可能不是真的，但這是事實。

宇宙膨脹也是如此。在我們剛才提到的三體系統中，雖然中子星和白矮星的質量和密度有很大的不同，但根據等效原理，當它們在同一個重力場中時，它們的運動與質量本身無關，而只與加速度有關。這個加速度不是由牛頓第二定律計算出來的，而是類似於地球表面的重力加速度，並且取決於中心天體的質量。

在那之前，這些只是猜測。這個三體系統的發現最終使科學家們找到了一個理想的實驗室來測試愛因斯坦的強等效原理。他們使用法國納奈天文臺的射電望遠鏡連續觀察脈衝星PSR J0337+1715 6年，再次驗證了愛因斯坦的正確性。

曼徹斯特大學的紀堯姆·沃辛和他的團隊最近觀察了三體系統，測試了強等效原理，並在最近的《天文學和天體物理學》上發表了他們的研究成果。他指出:「中子星和白矮星提供了一個理想的實驗室。兩者結合產生的極度偏離能量，使得利用無線電脈衝星計時來精確測試強等效原理成為可能。」

沃辛等人採用反證法來檢驗強等價原則。他們試圖在這個系統中找到可以推翻這個理論的證據。如果在中子星和白矮星之間觀察到速度的差異，愛因斯坦和他的廣義相對論將被證明是錯誤的。結果證明他們沒有發現任何推翻愛因斯坦的證據，這意味著愛因斯坦是對的。

他們嘗試了除相對論以外的所有引力原理，考慮了質量和轉速等所有因素，然後進行計算，推斷出三體系統的下一個運行規則和位置。結果總是錯的。結果是顯而易見的:從質量到密度，到旋轉或其他因素，它們與兩個天體的運行規則無關。它們嚴格按照廣義相對論在同一個引力場中運行。

沃辛指出:「我們的結果完全符合廣義相對論，這個極限(指實驗的誤差)大大降低了違反強等價原則的可能性。在所有這些實驗中，我們不能檢測到它被違反了。在可觀測的精度範圍內，引力的表達式與廣義相對論的描述是一致的。我們相信廣義相對論是唯一有意義的理論。它充分體現了強對等原則的實質。」

儘管廣義相對論提出已經有100年了，科學家們仍然在用天文現象來檢驗它。儘管愛因斯坦的相對論是不可動搖的，但每次我們確認它的正確性時，我們都被他嚇了一跳。沒有人知道相對論是終極理論還是會在未來被修正。但至少在很長一段時間內，它將引導我們去追求宇宙的真理，並規範天體的運行。愛因斯坦，偉大的人！