脈衝星證明愛因斯坦想法 自由落體的感覺就像您遇到重力不足一樣

2020-12-08 媒體同分享

在他逝世六個半月後,著名的理論物理學家愛因斯坦仍然被證明是正確的!除了在最極端的條件下測試廣義相對論外,他的理論中鮮為人知的方面也正在得到驗證。例如,GR預測重力和慣性通常無法區分,這就是所謂的引力強對等原理(SEP)。得益於國際研究人員團隊,迄今為止,它已經在最強大的條件下得到了證明。通過精確跟蹤脈衝星的運動,研究小組證明了引力使中子星和白矮星以相等的加速度墜落。這證實了愛因斯坦的預測,即自由落體可以在所有慣性參考系中準確模擬零重力條件。他們的研究,最近出現在雜誌天文學和天體物理學,由紀堯姆·瓦贊博士領導。曼徹斯特大學Jodrell Bank天體物理中心研究員。來自巴黎天文臺,馬克斯·普朗克射電天文研究所(MPIR)和國家科學研究所中心(CNRS)的研究人員加入了他的行列。

PSR J0337 + 1715是毫秒級脈衝星,是一種快速旋轉的中子星,它在每秒旋轉366次時發出規則的無線電脈衝。它的同伴都是白矮星,是恆星殘留的恆星殘骸,恆星耗盡核燃料並經歷引力坍塌(又名超新星)之後。中子星由於其更大的密度和引力而更加極端。

此後不久,由於牛頓的萬有引力理論與相對論不相容,他開始致力於用重力統一這一理論。到1907年,他推論說,由於重力使萬物以相同的速度加速,即自由下落的物體的行為完全與零重力物體相同,即「自由下落的通用性」,即地球上的所有物體以相同的速度下落。

Nanay射電望遠鏡在法國。

這種見解使愛因斯坦意識到重力是彎曲時空的一種表現,並且以相同的方式作用於所有質量(這是GR的核心)。以中子星為例,它們的引力極大地改變了時空的曲率,其強度比行星甚至太陽的能力強數十億倍。

這就是使PSR J0337 + 1715等脈衝星(快速旋轉的中子星)(由射電天文學家於2014年發現)使其成為測試GR和SEP的理想測試平臺的原因。Voisin博士和他的同事使用位於法國索洛尼地區的Nanay射電望遠鏡觀察了該脈衝星八年,並通過監視其無線電脈衝的到達時間來精確地測量了它的運動。

這表明PSR J0337 + 1715在外白矮星的引力場中以與附近白矮星相同的加速度墜落。這些結果證實了迄今為止最大的精度和最極端的條件下自由落體的普遍性。以前,最精確的測試是由法國國家空間研究中心(CNES)開發的微型衛星進行的。這就是所謂的「 微衛星等效觀測微衛星」(MICROSCOPE),於2016年4月至2018年10月運行。這顆衛星在其框架內載有小質量物體,以顯示它們如何經歷相同的加速度在低地球軌道(LEO)時暴露於地球的重力場。

MICROSCOPE衛星和ONERA T-Sage的圖像。 這不是第一次使用該系統對SEP進行測試,但是它確實從兩個方面改進了以前的結果。首先,它提供了脈衝星與內部白矮星之間加速度差異的更嚴格的矛盾。其次,它依靠對中子星特性的更好理解,這是LIGO /處女座天文臺檢測到它們之間碰撞的結果。正如Voisin博士所說: 「以這種精確度進行確認是對愛因斯坦理論進行的最嚴格的測試之一,並且該理論以鮮豔的色彩通過了測試。此外,結果還對引力的替代理論提出了非常嚴格的約束,這些理論與愛因斯坦的廣義相對論相抗衡,可以解釋引力和暗能量。」這項研究也具有重要意義,因為它在替代性引力理論的基礎上如何為GR提供更多的可信度。公平地說,大多數引力理論都結合了愛因斯坦對SEP的見解,並將引力描述為一種幾何現象-因為它是由時空的曲率引起的。它們與GR的不同之處在於,時空的曲率是如何通過大型物體的質量而改變的。儘管這些替代理論預測大小物體在相同的引力場中以相同的加速度落下,但是當描述天文物體(由引力本身固定在一起)時,事情就變得不同了。在這裡,替代理論預測天文學會偏離普遍加速度,而GR預測天文物體遵守與小天體相同的規則。

正如愛因斯坦用他的GR理論所預測的

通過在像中子星這樣的極端環境中測試愛因斯坦的理論,自由落體的普遍性被證明是真正的普遍性。這也許是本次測試最重要的收穫,這是它證明GR(受愛因斯坦「最幸運的思想」的簡單性啟發)如何真正捕捉到有關引力和自然內部運作的基本知識的方式。 狹義相對論,廣義相對論,宇宙常數,以及現在的強等值原理(又稱自由落體的普遍性)。

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