1915 年，愛(ài)因斯坦提出了廣義相對(duì)論，用來(lái)描述物質(zhì)間引力相互作用。廣義相對(duì)論首次把引力場(chǎng)解釋成時(shí)空的彎曲——大質(zhì)量物體將宇宙結(jié)構(gòu)扭曲，創(chuàng)造出一口彎曲的“井”，其他物體則會(huì)圍繞其運(yùn)行。

一百多年后，這一理論出色地通過(guò)了有史以來(lái)最嚴(yán)格的考驗(yàn)，等效原理對(duì)三星系統(tǒng)的預(yù)測(cè)與觀測(cè)到的脈沖星周期吻合。

廣義相對(duì)論

廣義相對(duì)論是現(xiàn)代物理中基于相對(duì)性原理利用幾何語(yǔ)言描述的引力理論。該理論由阿爾伯特·愛(ài)因斯坦等人自1907年開(kāi)始發(fā)展，最終在1915年基本完成。在廣義相對(duì)論中，引力被描述為時(shí)空的一種幾何屬性（曲率），而時(shí)空的曲率則通過(guò)愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程和處于其中的物質(zhì)及輻射的能量與動(dòng)量聯(lián)系在一起。

從廣義相對(duì)論得到的部分預(yù)言和經(jīng)典物理中的對(duì)應(yīng)預(yù)言非常不同，尤其是有關(guān)時(shí)間流易、空間幾何、自由落體的運(yùn)動(dòng)以及光的傳播等問(wèn)題，例如引力場(chǎng)內(nèi)的時(shí)間膨脹、光的引力紅移和引力時(shí)間延遲效應(yīng)。

像所有科學(xué)理論一樣，廣義相對(duì)論也做出了可檢驗(yàn)的預(yù)測(cè)。其中最重要、最根本的是“等效原理”。其基本含義是，在任何一個(gè)時(shí)空點(diǎn)上都可以選取適當(dāng)?shù)膮⒖枷担挂磺形镔|(zhì)的運(yùn)動(dòng)方程中不再含有引力項(xiàng)，即引力可以局部地消除。

牛頓的理論曾告訴我們，如果我們對(duì)物體施加一個(gè)力，這個(gè)力將提供一個(gè)加速度，這個(gè)加速度與施加力的大小成正比，與物體的質(zhì)量成反比。推動(dòng)一輛破舊的汽車它根本不會(huì)很快加速，但如果用同樣的力推購(gòu)物車，你可以很輕易推動(dòng)它。當(dāng)考慮施加在物理上的力導(dǎo)致加速時(shí)，我們考慮的是物體的“慣性質(zhì)量”。

而有質(zhì)量的兩個(gè)物體通過(guò)重力彼此吸引。如你手中握住一個(gè)被地球吸引的物體時(shí)，地球?qū)ξ矬w的吸引力也取決于物體的質(zhì)量。在這種情況下，我們考慮的是物體的“引力質(zhì)量”。

那么，“慣性質(zhì)量”和“引力質(zhì)量”有什么區(qū)別嗎？為了找到答案，我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試這一問(wèn)題：如果慣性質(zhì)量等于引力質(zhì)量，那么所有物體都以同樣的方式落下，無(wú)論它們有多大或者它們是由什么構(gòu)成的。這就是“等效原理”。

伽利略是最早注意到這一點(diǎn)的科學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)不同物體沿斜面的下滑運(yùn)動(dòng)是一樣的, 即引力加速度與物體的組成無(wú)關(guān)。此外，研究人員已經(jīng)在地球上多次證實(shí)了等效原理，高中物理中自由落體的章節(jié)曾介紹過(guò)經(jīng)典的“牛頓管”實(shí)驗(yàn)。另一個(gè)著名的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)則是在月球上完成的：1971 年，“阿波羅” 15 號(hào)宇航員大衛(wèi)·斯科特站在月球表面，同時(shí)讓一根羽毛和一把錘子自由落體，二者同時(shí)落地。而在地球上，由于空氣阻力的關(guān)系，錘子會(huì)比羽毛先落到地面。

圖 | 牛頓管

但是，等效原理是否也真正適用任何情況，包括物體密度或者質(zhì)量非常大的極端狀況？這樣的問(wèn)題給反對(duì)引力理論的人們帶來(lái)了希望，盡管這樣的人仍然是少數(shù)。

三星系統(tǒng)的等效原理

最近，一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)在極端條件下測(cè)試了等效原理：該觀測(cè)系統(tǒng)由兩個(gè)超級(jí)恒星的“尸體”——白矮星，和一顆密度更大的中子星組成。他們的觀察結(jié)果可能會(huì)讓反相對(duì)論人士不再那么樂(lè)觀了。

快速旋轉(zhuǎn)的中子星被稱為脈沖星，它們從兩極連續(xù)不斷地射出輻射。但是只有在這種輻射射向地球時(shí)，天文學(xué)儀器才能檢測(cè)到它們。由于脈沖星的旋轉(zhuǎn)，每隔一段時(shí)間，脈沖星的極點(diǎn)便可以指向地球。

圖 | 脈沖星

研究人員觀察的天文系統(tǒng)編號(hào)為 PSR J0337 + 1715，距離地球 4200 光年，位于金牛座方向。該脈沖星每秒旋轉(zhuǎn) 366 次，與一顆白矮星共軌；這對(duì)星體每 1.6 個(gè)地球日繞一個(gè)共同的質(zhì)心旋轉(zhuǎn)一周。這兩個(gè)星體同時(shí)還在另一顆相距甚遠(yuǎn)的白矮星的軌道上運(yùn)行，運(yùn)行周期為 327 天。

圖 | PSR J0337 + 1715系統(tǒng)

脈沖星的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的 1.4 倍，但大小僅相當(dāng)于荷蘭的阿姆斯特丹，而距離中心較近的白矮星質(zhì)量為太陽(yáng)的五分之一，體積與地球相當(dāng)（太陽(yáng)的體積是地球的 130 萬(wàn)倍，質(zhì)量為地球的 33 萬(wàn)倍?。┧?，它們可以構(gòu)成驗(yàn)證等效原理的極端條件。根據(jù)等效原理，它們應(yīng)該以同樣的方式被距離中心較遠(yuǎn)的那顆白矮星拉動(dòng)。

研究人員通過(guò)監(jiān)測(cè)脈沖星的無(wú)線電波發(fā)射來(lái)跟蹤脈沖星的運(yùn)動(dòng)。他們利用荷蘭的 Westerbork 合成射電望遠(yuǎn)鏡、西弗吉尼亞州的綠岸天文望遠(yuǎn)鏡和波多黎各的阿雷西博天文臺(tái)，整整研究了 6 年。

“自從我們開(kāi)始觀察以來(lái)，我們可以解釋中子星的每一次脈沖，”阿姆斯特丹大學(xué)和荷蘭射電天文學(xué)研究所的博士后研究者 Anne Archibald 在一份聲明中表示，“我們可以將該脈沖星的位置和去向確定在幾百米之內(nèi)。這是一個(gè)非常準(zhǔn)確的軌道”。

如果脈沖星軌道發(fā)生畸變，即中子星的路徑與其白矮星伴星的路徑有差異，那就說(shuō)明等效原理可能出問(wèn)題了。這種差異會(huì)導(dǎo)致研究人員接收到脈沖星輻射的時(shí)間與預(yù)期稍微不同。

目前，研究人員沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何這種畸變。

阿姆斯特丹大學(xué)的博士生 Nina Gusinskaia 在同一份聲明中肯定地表示：“如果存在差異，這一差異也不會(huì)超過(guò)百萬(wàn)分之三。”

引力理論又一次贏了

現(xiàn)在，對(duì)于任何反對(duì)引力理論的人來(lái)說(shuō)，他們正確的可能性又減小了不少，因?yàn)橐碚摰奶娲碚摬荒芘c最新的觀測(cè)結(jié)果相悖。

研究團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到的結(jié)果又將一些引力理論的替代理論進(jìn)行了排除，其中包括弦理論的一些版本。同時(shí)，這一結(jié)果證實(shí)了目前對(duì)引力理論的理解，即，廣義相對(duì)論仍然是理解宇宙的合理方式。

“對(duì)廣義相對(duì)論的驗(yàn)證有著很長(zhǎng)的歷史，”在另一篇發(fā)表在《自然》上的論文作者Clifford M. Will 表示，“不同材料對(duì)重力的響應(yīng)如此一致，這是十分獨(dú)特的。在愛(ài)因斯坦為我們展示的獨(dú)特視角中，這一切背后是有原因的：引力并不是通過(guò)精細(xì)的方式作用在物體的粒子上，而僅僅是影響了時(shí)空的幾何形狀。物質(zhì)的組成遵循時(shí)空的普遍路徑，這一路徑是由眾多天體構(gòu)建出來(lái)的?！?/p>

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)違背廣義相對(duì)論的情況嗎？在某種程度上物理學(xué)家們希望如此，因?yàn)檫@些新現(xiàn)象將推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展。但一個(gè)世紀(jì)前已提出的廣義相對(duì)論成功至今，已是人類科學(xué)史上一項(xiàng)十分偉大的成就。