前幾年的時候,科學家在宇宙中發現一個有趣的三體系統,或者說三合星系統。這個系統的中心,有一顆白矮星,同時有另一顆白矮星和一顆脈衝星(中子星)圍繞它公轉。
好,那麼問題來了:圍繞它公轉的中子星和白矮星,誰的速度更快呢?
你可能想到:白矮星比中子星輕。我們知道,同樣是一立方厘米的體積,白矮星的物質可以重達幾噸,但中子星的物質則可以達到幾億噸,是白矮星的上億倍。這樣看來,處於同一個引力作用之下,白矮星的加速度應該比脈衝星更大,更容易獲得高速度,所以白矮星更快。
恭喜你,答錯了。
不過,那些認為答案是中子星的人也別太高興,因為你們也沒有答對。
從常識上來看,的確好像是白矮星會更快。但實際上,愛因斯坦的廣義相對論中的強等效原理(strong equivalence principle,SEP)告訴我們:不管脈衝星比白矮星重多少,它們的速度都和質量無關。兩顆天體圍繞著同一顆天體公轉,受到同樣的引力作用,因此獲得的速度是同樣的。
你可能覺得這件事太過於離奇,但事實的確如此。當科學家們對這個三體系統進行觀測的時候,結果也證明了愛因斯坦的理論。為了便於大家理解,我們有必要討論一下,什麼是強等效原理。
強等效原理,是廣義相對論的基礎。舉個例子來說:如果一個人位於一個密閉系統裡,並且這個密閉系統有一個加速度a,恰好和地球上的重力加速度g(9.8米每二次方秒)相等。那麼對於這個人來說,他根本無法判斷自己到底是在一個加速的密閉系統中還是在地球上。為什麼呢?因為他不論是在這種密閉系統中還是在地球上,不論是做力學實驗還是電磁學實驗,都會得到完全相同的結果。
因此,雖然一個是看似靜態的,另一個是動態的,但他的感受是一樣的;雖然一個受到的是地球的重力,另一個受到的是密閉系統移動時產生的慣性力,但這樣的力對系統中的物體產生的影響也是相同的。
說到這裡,你會發現:兩個系統能夠等價的條件只有一個——加速度相同。也就是說,這與系統內的物體質量是沒有關係的。因此,如果你在地球上在同一個高度同時放開一根羽毛和一個鉛球,在沒有空氣阻力等其他力影響的情況下,羽毛和鉛球會同時落地。你可能會說:這不就是伽利略在比薩斜塔做的實驗嗎!沒錯,雖然這個實驗未必真實,但道理就是這樣的。
拓展到宇宙中,道理也是一樣的。在剛才我們提到的那個三體系統中,雖然中子星和白矮星的質量、密度都有著較大的差距,但是根據等效原理,處於同樣一個引力場中的時候,它們的運動和質量本身無關,只與加速度有關。而這個加速度不是透過牛頓第二定律計算的加速度,而是類似於地球表面重力加速度一樣,取決於中心天體的質量。
在此之前,這些還都只是推測。而這個三體系統的發現,讓科學家終於找到了一個理想的實驗室,來檢驗愛因斯坦的強等效原理。他們利用位於法國南賽(Nan?ay)觀測站的射電望遠鏡,對這顆名為PSR J0337+1715的脈衝星進行了長達6年的持續觀測,再一次驗證了愛因斯坦的正確性。
曼徹斯特大學的Guillaume Voisin和他的團隊最近對這個三體系統進行了觀測,檢驗了強等效原理,並且將研究成果發表在了最近的《天文學與天體物理學》上。他指出:“中子星和白矮星提供了一個很理想的實驗室,二者結合在一起產生的極度偏離的能量,使得我們可以利用射電脈衝星計時技術(radio pulsar timing)對強等效原理進行精確的檢驗。”
Voisin等人採取了反證法來檢驗強等效原理,他們嘗試在這個系統中尋找可以推翻這個理論的證據。如果中子星和白矮星被觀測到有速度的差異,那麼將可以證明愛因斯坦和他的廣義相對論是錯誤的。結果證明,他們沒有找到任何可以推翻愛因斯坦的證據,這意味著愛因斯坦是正確的。
他們嘗試了除相對論以外的所有引力原理、把質量和自轉速度等因素全部考慮進來,然後進行計算,推測這個三體系統的下一步執行規律和位置,結果始終是錯誤的。結果很明顯:從質量到密度,再到自轉或者其他因素,都與兩顆天體的執行法則無關,它們在相同的引力場中嚴格按照廣義相對論的法則來執行。
Voisin指出:“我們得到的結果和廣義相對論完全符合,這個限度(指的是實驗的誤差)極大程度上降低了強等效原理被違背的可能。在所有這些實驗中,我們都無法檢測到它被違反。在可觀測的精度範圍內,引力的表現和廣義相對論的描述一致。我們認為,廣義相對論是唯一說得通的理論,它完全體現了強等效原理的精髓。”
雖然廣義相對論的提出已經過去100年了,但現在的科學家們仍在利用天文現象來對它進行檢驗;儘管愛因斯坦的相對論的地位已經無可撼動,但每次一證實其正確性都讓我們對他肅然起敬。相對論到底是終極理論還是未來也將被修正,沒有人知道。但至少在很長的一段時間裡,它都將指導我們追求宇宙的真理,規範天體的執行。愛因斯坦,偉人也!