愛因斯坦又對啦！科學家證明：相對論「自由落體普適性」正確！

2020-10-18 博科園

來自一項國際科學家合作研究記錄了迄今為止對愛因斯坦廣義相對論基石之一「自由落體普適性」的最準確確認。這項新的研究表明，該理論適用於中子星等強大引力天體。使用射電望遠鏡，科學家可以非常準確地觀測到脈衝星（一種中子星）產生的信號，並測試愛因斯坦引力理論對這些極端天體的有效性。特別是，研究小組分析了一顆名為「PSR J0337+1715」的脈衝星信號。

這顆脈衝星是由位於法國索隆中心的南塞大型射電望遠鏡觀測。自由落體原理的普適性表明：落入引力場中的兩個物體受到完全相同的加速度，而與物體本身的組成無關。伽利略首先證明了這一點，他曾從比薩斜塔頂扔下不同質量的物體，以驗證它們是否同時到達地面，這是出了名的，相信你也在我們中國相關教科書和科普書上看到過這個科學實驗故事，這一原理也是愛因斯坦廣義相對論的核心。

自由落體普適性

然而，量子力學和廣義相對論之間的不一致性，或者暗物質和暗能量在宇宙構成中佔據主導地位的謎題等一些暗示，讓許多物理學家認為，廣義相對論畢竟可能不是引力的終極理論。脈衝星J0337+1715是一顆中子星，其核心質量是太陽的1.44倍，已經坍塌成一個直徑只有25公裡的球體。對脈衝星J0337+1715的觀測表明，它繞著兩顆重力場弱得多的白矮星運行。在新發表在《天文學與天體物理學》期刊上的新研究結果，證明了自由落體原理普遍性是正確的。

領導這項研究的曼徹斯特大學的紀堯姆·沃辛博士說：脈衝星發出一束橫掃太空的無線電波，每轉一圈就會產生一道射電光，由南賽的射電望遠鏡高精度地記錄下來，隨著脈衝星在其軌道上運動，到達地球的光的時間會發生偏移。正是這些到達時間的精確測量和數學建模，精確到納秒的精度，才能讓科學家們以精細的精度推斷出地球的運動。最重要的是，正是該系統的獨特結構，類似於地球-月球-太陽系統。

有第二個伴星(扮演太陽的角色)存在，另外兩顆恆星『墜落』(軌道)，這使得研究人員能夠在比薩塔樓上進行伽利略著名實驗的恆星版本。兩個不同成分的天體，在第三個天體引力場中以相同的加速度墜落。這些測量是由來自曼徹斯特大學、巴黎天文臺-PSL、法國CNRS和LPC2E(法國奧爾良)以及馬克斯·普朗克射電天文學研究所的一個合作小組記錄。這顆脈衝星圍繞著兩顆白矮星運行，其中一顆僅用1.6天就繞脈衝星一周，距離脈衝星的距離約為水星與太陽距離的10倍。

男神愛因斯坦就是厲害

這個雙星系統有點像太陽系中的地球和月球，與第三顆恆星一起運行，這是一顆質量為太陽40%的白矮星，位於略遠於地月系統與太陽之間的距離。在太陽系中，月球雷射測距實驗已經證實，月球和地球都受到太陽引力場的相同影響，正如自由落體普遍性所預測的那樣（軌道運動是一種形式的自由落體）。然而，眾所周知，某些對普適性的偏離可能只發生在強大引力天體上，如中子星.即由於愛因斯坦著名的質能方程關係式E=mc^2，其質量明顯由其自身引力能構成的物體。

研究團隊進行的新脈衝星實驗，填補了太陽系測試留下的空白，在太陽系內的測試中，沒有任何天體是有中子星般的強大引力，甚至太陽也不例外，也太微弱。研究已經證明，脈衝星的極端引力場與廣義相對論預測相差不能超過百萬分之1.8(置信水平為95%)。這一結果最準確地證實了，即使在質量很大程度上是由其自身引力場決定的物體存在情況下，自由落體普適性也是有效的，從而進一步驗證了我男神愛因斯坦的廣義相對論。

博科園｜研究/來自：曼徹斯特大學

研究發表期刊《天文學與天體物理學》

DOI: 10.1051/0004-6361/202038104

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