圖片來源:Courtesy: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

來自一項國際科學家合作的研究紀錄了迄今為止對愛因斯坦廣義相對論基石之一“自由落體普遍性 ”的最準確的證實。

“自由落體理論”是伽利略在其著名的比薩斜塔實驗中所提出,他將不同質量的物體從比薩斜塔的頂部推落,以驗證它們是否同時到達地面。因而發現自由落體原理的普遍性,這一原則解釋自由落體中的所有物體都以相同的速度加速,不管它們的質量如何。這個原理也是愛因斯坦廣義相對論的核心。

然而,量子力學和廣義相對論之間的矛盾,或者暗物質和暗能量在宇宙構成中占據主導地位的謎團讓許多物理學家懷疑廣義相對論可能不是萬有引力的終極理論。

再一次的驗證愛因斯坦的廣義相對論

不過就本月發表在《天文學與天體物理學》雜誌上的研究,科學家發現該理論也竟也適用於中子星等強大引力天體。中子星是巨星坍縮後的核心,在其直徑約12至18英里(20至30公里)的區域內聚集了大量物質。科學家們利用射電望遠鏡可以非常精確地觀測到從脈衝星(一顆旋轉的中子星)兩極發射出輻射束,並測試愛因斯坦引重力理論對這些巨大天體是否也有影響。

其中,由曼徹斯特大學,巴黎天文台,PSL,法國CNRS和LPC2E(法國奧爾良)以及馬克斯·普朗克射電天文研究所的合作團隊記錄了這些測量值。他分析了位於法國索洛涅市中心的Nançay大型射電望遠鏡所記錄名為“ PSR J0337 + 1715”脈衝星的信號。

這顆中子星的核心是太陽的1.44倍,但直徑只有15英里(25公里),這顆恆星由兩顆重力場更弱的白矮星環繞,類似於地球和月球繞著太陽和彼此繞行的方式。在太陽系中,如自由落體的普遍性所預言的那樣,月球雷射測距實驗驗證了月球和地球都受到太陽重力場的相同影響,也就是說軌道運動是自由落體的一種形式。

但是一些科學家推測,像中子星這樣的巨大星體的存在可能違反自由落體的普遍性,因為其質量明顯由其自身的引力組成。這樣的違反也將違反廣義相對論,廣義相對論假設在所有情況下的重力加速度都是恆定的。

脈衝星的研究

因此科學家們進行的新的脈衝星實驗以填補了廣義相對論中太陽系測試(solar system tests of general relativity)中所沒有測試到的地方,因為廣義相對論中的實驗並沒有測試到受自引力影響(self-gravitating)的物體,甚至也沒有測試到太陽。

曼徹斯特研究小組通過追踪這三顆恆星到納秒的位置,發現第一顆白矮星和脈衝星都以完全相同的速度向第二顆白矮星加速,從而再次驗證了廣義相對論。

研究小組解釋 ,脈衝星的極端重力場與廣義相對論的預測相差不超過180萬分之一(置信度為95%)。這個結果是最準確的確認,即使存在質量主要取決於其自身重力場的物體,自由落體的普遍性也是有效的,從而進一步支持了愛因斯坦的廣義相對論

資料來源:

1.Voisin, G., Cognard, I., Freire, P.C.C., Wex, N., Guillemot, L., Desvignes, G., Kramer, M. and Theureau, G., 2020. An improved test of the strong equivalence principle with the pulsar in a triple star system. Astronomy & Astrophysics638, p.A24.

2.ROBITZSKI, D., 2020. Collapsed Star Proves Another Of Einstein’s Theories. [online] Futurism. Available at: <https://futurism.com/the-byte/collapsed-star-proves-einsteins-theories> [Accessed 15 June 2020].

3.Phys.org. 2020. Astrophysicists Confirm Cornerstone Of Einstein’s Theory Of Relativity. [online] Available at: <https://phys.org/news/2020-06-astrophysicists-cornerstone-einstein-theory-relativity.html> [Accessed 15 June 2020].

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