愛因斯坦在1905年提出的“狹義相對論”,一舉解決了牛頓經典力學和麥克斯韋電磁學之間的矛盾,為現代物理學奠定了堅實的基礎。然而美中不足的是,“狹義相對論”並不適用於萬有引力,為了解決這個問題,愛因斯坦又花了整整10年的時間,終於完成了“廣義相對論”。
愛因斯坦在“廣義相對論”中指出,一切具有質量的物體都會讓它周圍的時空發生彎曲,一個物體的質量越大,它周圍時空的彎曲程度就越高,在這種彎曲的時空裡,物體將會沿著測地線進行運動。下面我們來看一個例子。
如上圖所示,地球在被太陽彎曲的時空裡沿著測地線運動,這看上去就像是地球被來自太陽的力吸引一樣,但事實上,這種現象的本質卻是時空彎曲的表現(注:因為我們無法描繪出四維時空是如何彎曲的,所以上圖所表示的情況其實是減少了一個維度的效果)。那麼這種時空彎曲與物體運動之間具體是什麼關係呢?對此,愛因斯坦給出了著名的“愛因斯坦引力場方程”(如下圖所示)。
簡單地講,該方程的左邊表示的是時空的彎曲情況,右邊表示的則是物質及其運動狀態,愛因斯坦預言,宇宙萬物都應該按照著這個規律來執行(“廣義相對論”中的“廣義”二字,也就是來自於此)。需要注意的是,雖然在過去的日子裡愛因斯坦的預言已經被多次證實,但嚴謹的科學家們並不滿足於此,他們一直試圖尋找更加強有力的證據,比如說在一些極端的情況下驗證“廣義相對論”的準確性。
在宇宙中,中子星是我們已知的密度僅次於黑洞的一種天體,如果把太陽壓縮成中子星的密度,那麼太陽的半徑將從70萬公里縮小為10公里左右。高度緻密的中子星會表現出非常強大的引力場,根據理論計算,中子星表面的逃逸速度最高可以達到光速的一半(每秒鐘15萬公里),如果我們在距離中子星表面1米處,讓一個初速度為零的物體做自由落體運動,那麼當這個物體落在中子星上時,其速度就可以達到每小時大約100萬公里。
很顯然,中子星的極端引力場是驗證愛因斯坦的預言的理想目標,於是一個由曼徹斯特大學的天體物理學家紀洛姆.瓦贊博士(Dr. Gillaume Voisin)領導的研究團隊就將目光投向了一顆遙遠的中子星。這顆中子星位於金牛座,距離我們大約4200光年,屬於一個名為“PSR J0337 + 1715”的三合星系統,除了這顆中子星之外,在“PSR J0337 + 1715”系統裡的還存在著兩顆白矮星,其中的一顆與中子星做相互環繞的運動,而另一顆則遠遠地圍繞著它們執行。
根據伊洛姆.瓦贊博士的介紹,之所以選擇這顆遙遠的中子星,是因為它是一顆高度磁化並且以極快速度旋轉的中子星(這種中子星被稱為脈衝星),觀測資料顯示,這顆中子星的旋轉速度可以達到每秒鐘366圈,每轉一圈,就會產生一道強大的射電脈衝,隨著這顆中子星位置的改變,到達到地球射電脈衝也會出現相應的變化,透過對這種變化的精確測量,科學家們就可以準確地得到這顆中子星的相關狀態。
驗證的方法很簡單,就是將實際觀測到的資料與“廣義相對論”所預言的情形進行對比,如果兩者符合就說明愛因斯坦的預言又對了一次,反之則表明愛因斯坦的理論存在著一定的缺陷,這甚至還有可能會導致整個“廣義相對論”大廈的倒塌。
經過了長達6年時間的觀測,該研究團隊已經收集到了足夠的資料,他們發表在《天文學與天體物理學》期刊上的研究成果表明,這顆中子星的實際情況與“廣義相對論”所預言的情形之間的差異不超過百萬分之1.8(置信度為95%),這稱得上是“完美的契合”了。也就是說,愛因斯坦的預言又對了一次,這顆遙遠的中子星提供了強有力的證據。
值得一提的是,自從問世以來,“廣義相對論”受了很多次考驗,但相關證據大多都在毫米尺度和太陽系尺度之間,而此次的研究成果則是來自於中子星的極端引力場,因此可以說,這個強有力的證據可以說是填補了一個巨大的空白,正因為如此才有人感嘆道:“想要證明愛因斯坦是錯誤的,恐怕是越來越難了。”
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