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。