廣義相對論已擊敗前去打擂臺的科學(xué)家——你以后愿意挑戰(zhàn)嗎？

廣義相對論保持著傲然屹立的姿態(tài)。

藝術(shù)家的脈沖星想象圖，包括環(huán)繞著高密度星體的極端磁場。（圖像授權(quán)：NASA，美國國家航天局）

廣義相對論迄今為止已抵擋了或許是最頑固的挑戰(zhàn)。

阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）于1916年發(fā)表的理論，掀起了一場人類理解物理學(xué)和宇宙的革命。該理論聲稱，地心引力為時空伸縮性的結(jié)果：巨物彎曲了時空，并造成沿其軌道旋轉(zhuǎn)的物體凹陷。

科學(xué)家在過去的105年多里反復(fù)試探廣義相對論，試圖發(fā)現(xiàn)該理論的不足情況和短板。截至目前，他們還未實現(xiàn)這種意圖。

在一項新的研究中，研究人員報告了一項最野心勃勃、涉及廣義相對論未攻克難題的挑戰(zhàn)結(jié)果。他們分析了一項雙脈沖星系統(tǒng)的實驗——2003~2009年，7臺不同的輻射望遠(yuǎn)鏡從世界各地完成了這項實驗。

脈沖星是一種中子星，或超密度的恒星殘骸。脈沖星放射出高能輻射光和粒子（粒子源于脈沖星的磁極）。這些光束是持續(xù)的，但他們出現(xiàn)在脈沖星周圍（正如其名），因為它正在旋轉(zhuǎn)。在磁極的一端指向地球時，上述的光便在地球可見。

研究人員所調(diào)查的那對脈沖星距離地球大約2400光年，其中一顆脈沖星一秒鐘旋轉(zhuǎn)44次，而另外一顆脈沖星則每2.8秒才完成一次旋轉(zhuǎn)。兩顆脈沖星圍繞共同的龐大中心，每147分鐘旋轉(zhuǎn)一周，它們每小時穿越空間62萬千米（100萬千米/小時），工作人員說。

像此類快速移動并相互影響的軌道型物體——比如上述那一對——他們的體積大約比太陽多30%，但距離它只有24千米（15英里）。這樣的情況允許了研究者進行數(shù)量眾多、變化萬千的廣義相對論預(yù)測——總共有7個！”英聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究機構(gòu)（CSIRO，為澳大利亞的國家科學(xué)機構(gòu)）的研究合著者迪克·曼徹斯特（Dick Manchester）說。

并且，質(zhì)量與數(shù)量相配：“此項研究，成就了廣義相對論挑戰(zhàn)中前所未有的精確性?！惫ぷ魅藛T說。

曼徹斯特說：“除了引力波與光的傳播以外，實驗的精確性允許了我們測量“時間膨脹”，其為讓時鐘在引力場內(nèi)轉(zhuǎn)得更慢的效應(yīng)?！?““當(dāng)考慮處于軌道運動中的脈沖星，其快速旋轉(zhuǎn)并發(fā)射電磁輻射時，我們甚至需要將愛因斯坦的著名方程式“E=mc^2”納入計算?！?/p>

——阿爾伯特·愛因斯坦：傳記、理論與引言

——愛因斯坦的理論：廣義相對論

——什么是脈沖星？

7項預(yù)測實驗的結(jié)果都已證實，研究鑄造完成。廣義相對論依然屹立不倒——但實驗結(jié)果并不意味著，研究者應(yīng)當(dāng)放棄對它的批判、追尋其漏洞并超越它。

“廣義相對論與量子力學(xué)描述的基本作用力水火不相容。所以重要的是，盡可能繼續(xù)將嚴(yán)苛的測驗施加給廣義相對論，并孜孜不倦地尋求，何時、以何種方式，能將這座頑固的大廈推倒。”合著者、英國東英吉利大學(xué)的物理學(xué)家羅伯特·福德曼（Robert Ferdman）說。

福德曼補充道：“若尋找廣義相對論漏洞的意圖有朝一日實現(xiàn)，它將超越我們目前對宇宙的習(xí)慣性認(rèn)知，掀起新物理學(xué)重大發(fā)現(xiàn)的大革命。并且這樣的成功將幫助我們，探索并抵達四種自然力的終極理論——大統(tǒng)一理論。

相關(guān)知識

廣義相對論是現(xiàn)代物理中基于相對性原理利用幾何語言描述的引力理論。該理論由阿爾伯特·愛因斯坦等人自1907年開始發(fā)展，最終在1915年基本完成。[1]廣義相對論將經(jīng)典的牛頓萬有引力定律與狹義相對論加以推廣。在廣義相對論中，引力被描述為時空的一種幾何屬性（曲率），而時空的曲率則通過愛因斯坦場方程和處于其中的物質(zhì)及輻射的能量與動量聯(lián)系在一起。

在室女A星系中心的黑洞，此為人類首次觀測并得到確認(rèn)的黑洞影像

從廣義相對論得到的部分預(yù)言和經(jīng)典物理中的對應(yīng)預(yù)言非常不同，尤其是有關(guān)時間流易、空間幾何、自由落體的運動以及光的傳播等問題，例如引力場內(nèi)的時間膨脹、光的引力紅移和引力時間延遲效應(yīng)。廣義相對論的預(yù)言至今為止已經(jīng)通過了所有觀測和實驗的驗證——廣義相對論雖然并非當(dāng)今描述引力的唯一理論，但卻是能夠與實驗數(shù)據(jù)相符合的最簡潔的理論。不過仍然有一些問題至今未能解決。最為基礎(chǔ)的即是廣義相對論和量子物理的定律應(yīng)如何統(tǒng)一以形成完備并且自洽的量子引力理論。

愛因斯坦的廣義相對論理論在天體物理學(xué)中有著非常重要的應(yīng)用。比如它預(yù)言了某些大質(zhì)量恒星終結(jié)后，會形成時空極度扭曲以至于所有物質(zhì)（包括光）都無法逸出的區(qū)域，黑洞。有證據(jù)表明恒星質(zhì)量黑洞以及超大質(zhì)量黑洞是某些天體例如活動星系核和微類星體發(fā)射高強度輻射的直接成因。光線在引力場中的偏折會形成引力透鏡現(xiàn)象，這使得人們可能觀察到處于遙遠(yuǎn)位置的同一個天體形成的多個像。廣義相對論還預(yù)言了引力波的存在。引力波已經(jīng)由激光干涉引力波天文臺在2015年9月直接觀測到。此外，廣義相對論還是現(xiàn)代宇宙學(xué)中的膨脹宇宙模型的理論基礎(chǔ)。

BY: Mike Wall

FY: 楊宜修

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請在作品發(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處