「跳舞」的恆星再次證明了愛因斯坦的廣義相對論

2020-12-04 萬象經驗

引力是自然界中被人類第一個認識到的基本力量。自從我們第一次破解引力的秘密之後,幾個世紀以來,科學家一直在想方設法地對引力進行測試。引力的新發現可能會開闢新的物理學前景,甚至可能是發現它的本質。

引力一個最基本的方面是它以一種非常特殊的方式隨距離減弱。距離每增加一倍,引力就會減少四分之一。距離增加四倍,引力相互作用的強度僅為以前的十六分之一。這就是引力的距離平方反比性質,是科學家對引力的第一批推論之一。

但是這種行為在任何尺度上都不是很準確。在像太陽或黑洞這樣的大質量物體附近,引力並不完全遵循距離平方反比定律。這種差異在我們的太陽系中並不明顯,除了水星。這種差異最終導致了愛因斯坦廣義相對論的發展,這是我們對現實認識的一個突破。

水星的進動

16世紀以來,天文學家對水星的軌道做了大量的觀測,並記錄了大量的數據。1859年,法國天文學家在整理、計算這些數據的時候發現水星的軌道並不是完全封閉的,和使用牛頓萬有引力定律計算的有所不同。對此,天文學家有兩種想法:一種是在水星之內還有一顆尚未發現的「火神星」,另一種是牛頓定律是錯誤的。

曾經科學家觀測到的天王星軌道也與用牛頓萬有引力定律所計算的軌道不同,當時科學家推測應該還有一顆未知天體的引力幹擾,於是後來科學家就找到了海王星。本著牛頓萬有引力不會錯的原則,科學家希望在水星之內還找到另一顆天體。但是天文學家們始終沒有找到這顆行星的存在。

19世紀末,科學家試圖用新發展的電磁理論來解決水星的進動,但是都沒有任何進展。1915年,愛因斯坦用廣義相對論解釋並計算了水星進動的值,至此這個問題才得到完美的答案。

最新研究

最近,愛因斯坦的廣義相對論又再一次被證明是正確的,這要歸功於銀河系中心黑洞。

歐洲南方天文臺的天文學家們27年來一直在觀測一顆名為S2的恆星繞銀河系中心黑洞旋轉,他們精確的記錄了該恆星的位置和速度。在觀察到該恆星近乎完整的圍繞黑洞旋轉兩圈之後,研究人員得出了結論,該恆星的軌道並不像牛頓引力定律所預測的那樣是一個固定的橢圓軌道,而是圍繞黑洞在「跳舞」,其模式類似於用螺旋描記器繪製的玫瑰花結。

這種軌道,被稱為史瓦西進動。研究人員寫道,這是首次在黑洞附近的恆星中證實史瓦西進動。這項新發現還可以幫助研究人員對位於銀河系中心的物質的類型和數量進行更精確的計算。由於S2的測量很好地遵循了廣義相對論,我們可以對存在多少不可見物質設定嚴格的限制,這對於理解超大質量黑洞的形成和演化非常有意義。

相關焦點

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    廣義相對論在銀河系中心通過驗證  尚未發現能證明相對論漏洞的第五種力  科技日報北京6月7日電 (記者聶翠蓉)愛因斯坦的廣義相對論再次經受住了考驗。據《新科學家》雜誌網站6日報導,美國科學家藉助夏威夷凱克天文臺近20年的數據,獲得了銀河系中心超大質量黑洞附近兩顆恆星S0-1和S0-38的清晰運行軌跡,發現這兩顆恆星的運行方式沒有偏離廣義相對論;同時,也未發現第五種基本力存在的證據。相關論文發表在7日出版的《物理評論快報》雜誌上。  宇宙中存在四種基本作用力:弱相互作用力、強相互作用力、電磁相互作用力和萬有引力。
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    有些讀者對這個問題感興趣,他們想知道愛因斯坦是怎麼發現相對論的,是用實驗的方法慢慢驗證推理出來的,還是直接用數學方法和物理思想推出來的。愛因斯坦是怎麼想到要去創立相對論的呢,有哪些時代背景和機緣巧合,為什麼同時代那麼多權威的物理學家都沒有辦到,他一個畢業工作沒幾年的小毛頭是怎麼辦到的?
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    相對論學說,可以分為狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論被理解起來比較簡單一些,據說即使沒有愛因斯坦的存在,再過二三十年,狹義相對論也會出現。但如果沒有愛因斯坦,廣義相對論將不會在幾個世紀內出現。也就是說,僅憑愛因斯坦一個人,他就提前把原本幾個世紀以後才有的科學理論帶到了人間。可見愛因斯坦的天才程度。
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    請問,愛因斯坦狹義和廣義相對論是否得到實驗的嚴格驗證?這些驗證實驗具體如何做的?如果沒有嚴格的實驗論證,愛因斯坦和一個神棍有什麼區別?小愛的狹義相對論以及廣義相對論,那可是經受過無數考驗的存在。狹義相對論的實證——世界的傷痛1905年,物理歷史的第二個奇蹟年。愛因斯坦當年提交了5篇論文,其中三篇都達到諾獎級別。而狹義相對論以及大家耳熟能詳的E=mc2,當然也包括其中。E=mc2用最簡單的話來說,這個等式的意思是:質量和能量是等價的。
  • 廣義相對論的證據
    27年前,法國科學家通過歐洲南方天文臺(ESO)的超大望遠鏡(VLT),發現有一顆恆星 S2 正圍繞一個巨大質量的黑洞運行,最近時相距200億公裡(太陽與地球之距離的120倍)。S2 的運行速度為光速的3%,每16年運行一圈。
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    幸運的是此時我們已經有了一個更為接近真理的理論,廣義相對論。廣義相對論是由愛因斯坦所提出的,以廣義相對論的觀點來看,引力更像是一種幾何效應,而非一種力,引力可以被看作是一種時空的曲率。廣義相對論認為,有引力的物體都擁有能量,而能量會導致時空發生彎曲,所謂的時空彎曲又可以分為時間彎曲和空間彎曲。
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    《對於引力的理解,牛頓理論和愛因斯坦廣義相對論的區別在哪裡?》本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。一切物理問題都是測量問題,就如一切生物問題都是進化問題一樣。萬有引力定律與廣義相對論的區別,就要從測量的角度去講述。
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    說起愛因斯坦,都知道他提出了著名的相對論。但是你可知道,相對論為什麼有「狹義」和「廣義」之分呢?了解「相對論」對於研究現代物理學的人來說,是十分必要的。據說,相對論的創始人阿耳伯特?愛因斯坦從小就思考這樣兩個問題:(1)如果有人跟著光線跑,並努力趕上它,那麼,這個人將看到些什麼現象呢?
  • 廣義相對論與量子力學的終極矛盾——黑洞奇點
    史瓦西半徑是根據廣義相對論的史瓦西解得到的一個半徑公式,用於計算光速不能逃逸的臨界半徑,科學家稱這個臨界半徑包裹的球形區域為黑洞。黑洞根據廣義相對論,當大重量恆星結束核聚變,中心會坍縮到史瓦西半徑以內而形成黑洞,根據英國物理學家彭羅斯和霍金證明的奇性定理,黑洞中心會產生一個體積無限小,密度無限大的奇點,在奇點處時空終結,物理規律失效,這是一個預言中的奇異點,實際存不存在無從驗證,因為它永遠被黑洞視界包裹著,黑洞視界阻止了外界獲取內部的任何信息
  • 廣義相對論和時空彎曲,帶你漲漲見識!
    試看廣義相對論的兩條基本原理:1. 等效原理;2.廣義相對論原理:物理定律對一切參考系都有效。廣義相對論將加速度等效於引力加速度,又將引力場解釋成時空彎曲,所以在廣義相對論裡,看不到加速度,也看不到引力場,看到的只有彎曲的時空。
  • 遲到的科普:廣義相對論
    在講相對論的的時候將其分成兩部分:狹義相對論和廣義相對論。很久很久以前講過狹義相對論,廣義相對論卻遲遲沒有講。所今天冷言和大家談談什麼是廣義相對論?其實廣義相對論最主要的有兩點:廣義協變原理和等效原理。
  • 偉大的廣義相對論場方程,卻讓愛因斯坦說犯了一生中最大的錯誤
    當牛頓發現萬有引力定律之後,這種觀點似乎有了理論支撐,如果整個宇宙中均勻地布滿了恆星,那麼在宇宙中的每一點都受到了各個方向相同大小的引力,恆星就可以保持靜止,整個宇宙也是靜止的,平衡的。堅持日心說面臨火刑的布魯諾1915年,愛因斯坦發表廣義相對論後,讓萬有引力定律變成了相對論在低質量低速情況下的近似
  • 為什麼廣義相對論與量子力學無法統一?愛因斯坦自己也無法做到
    在廣義相對論中,磁場以波的形式帶走能量:引力輻射。但是,在量子層面上,我們強烈懷疑,就像電磁波由量子(光子)組成一樣,引力波也應該由量子(引力子)組成。這就是廣義相對論不完整的原因之一。(圖源:RAY SHAPP / MIKE LUCIUK;E. SIEGEL)這類公式的問題是,當位置和動量在經典處理下時所在的場處於相同的基礎上。
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    而他們中的很多:為了能夠解釋宇宙中觀察到的重力勢能行動的所有進程應該除了恆星,星雲和星系的「正常」物質的五倍無形質量發揮其嚴重性,今天天體物理學家升值。WIMP非常想要然而,到目前為止,沒有人直接或以其他方式證實暗物質。正如最常見的假設所暗示的那樣,它是否真的包含了尚未知的基本粒子?
  • 專訪《相對論之路》作者:最早科普相對論的正是愛因斯坦本人
    近日,這場特展的「幕後推手」之一,以色列耶路撒冷希伯來大學理論物理學榮休教授、阿爾伯特·愛因斯坦檔案館學術主任——哈諾赫·古特弗羅因德(Hanoch Gutfreund)教授也來到上海,攜其首次被譯為中文的科普著作《相對論之路》與讀者見面。該書英文版出版於2015年,愛因斯坦發現廣義相對論的百年慶之際。