在距离地球4200光年的金牛座方向上,有一个三星系统,它的编号是PSR J0337+1715。在这个系统中,有一对奇异的“情侣”:一颗是质量为太阳的1.4倍、大小却与阿姆斯特丹近似的中子星,另一颗是质量只有太阳的0.2倍、大小却与地球相似的白矮星,它们每1.6天会绕着彼此运转一周。而在距离它们较远的地方,有另一颗白矮星每327天围绕着这对情侣运行一周。
2011年的时候,美国国家科学基金会的绿岸望远镜的科学家发现这个拥有极端条件的三星系统,是检验爱因斯坦理论的绝佳天然实验室。7月4日,研究人员在《自然》杂志上发表了他们的最新实验结果:爱因斯坦再次被证明是正确的,这意味着要超越他的理论又更加困难了。
爱因斯坦的广义相对论是迄今为止描述引力最成功的理论,自提出之后的100多年来,科学家不断地尝试在各种不同条件下对它进行检验。广义相对论做出了许多可检验的预言。其中一个最重要的便是“等效原理”,它是指所有的物体,无论它们大小如何或是由什么构成,都会以相同的方式下落。
为了更好的理解这是怎么一回事,让我们先从最基础的开始。在手中握一个物体,不管这个物体是什么,它都会具有一定质量。
我们对这一质量进行思考的方式可以有两种。牛顿教导我们的是,如果我们对一个物体施加作用力,那么它就会具有一个加速度,加速度的大小与施加的力成正比,与物体本身的质量成反比。任意两个具有质量的物体会通过引力相互吸引。因此,你手中握住的物体会受地球吸引,而将它向下吸引的力的大小取决于物体本身的质量。如果释放手中的物体,重力将吸引物体向地面作“自由落体”的加速运动。
把物体拉下来的力的大小取决于引力质量,但加速度的大小取决于惯性质量。现在的问题是,这两种质量有什么区别吗?
为了找到答案,我们可以写一个连接这两种质量的运动方程:让方程的一侧是惯性质量,另一侧为引力质量。我们可以用一个实验来检验这一方程所预测的东西:如果惯性质量等同于引力质量,那么所有物体无论其质量为何,都应以相同的加速度落向地球。也就是前面所说的“等效原理”。
早在16世纪的时候,伽利略就发现,在同一高度上同时释放两个质量不同的物体,它们将同时落地。然而在地球上,还有一个力会作用在坠落物体上,那就是空气阻力。
为了验证科学家的猜测,他们在宇宙中寻找那些奇异的天体,最终锁定了文章开头提到的由两颗白矮星和一颗中子星组成的三星系统。更精确地说,这颗中子星是一颗“毫秒”射电脉冲星,它每秒会旋转366次,并像灯塔一样有规律的发射出脉冲。
研究人员通过监测这颗脉冲星发射的射电波来跟踪它的运动。结合持续六年监测的观测结果,天体物理学家仔细地模拟了这对情侣的轨道。他们测量了一个名为Delta的参数,它描述的是白矮星和质量更大的脉冲星的加速度之间的分数差异。如果广义相对论是对的,那么Delta应该等于零。观测结果表明,在测量允许的不确定性范围内,这两个加速度之间差异确实在统计上与零一致。新的结果比之前进行过的任何测量都要好得多。
它为证明广义相对论仍是描述引力的最佳模型提供了宝贵的、新的实验性证据。
那么,广义相对论会有失效的时候吗?某种程度上,我们希望会是那样的,因为那将预示着新物理学的诞生。但令人震惊又欣慰的是,谱写于一个世纪之前的广义相对论,成功地经受住了所有最严苛的检验,它无疑是人类最令人难以置信的智慧瑰宝之一。