爱因斯坦YYDS？广义相对论刚刚通过了一场历时16年的严格检验

机器之心报道

编辑：小舟、张倩

经过一场历时 16 年的严格测试，爱因斯坦广义相对论依然屹立不倒。

广义相对论是爱因斯坦在 1915 年完成、1916 年正式发表的重要引力理论。该理论在天体物理学中有着非常重要的应用：它直接推导出某些大质量 恒星会终结为一个黑洞。

从 1916 年正式发表以来，物理学界对于这一理论的实验验证就从未停止。其中，东英吉利大学（UEA）和曼彻斯特大学的研究人员联合进行了一项长达 16 年的实验。

这个国际研究团队通过遍布全球的七台射电望远镜观察一对脉冲星，以此来进行一些迄今为止最严格的广义相对论测试。结果证明，广义相对论经受住了考验。

该研究于 12 月 13 日发表在《Physical Review X》杂志上。「过去 16 年里，我们对双脉冲星的观测被证明与爱因斯坦的广义相对论惊人地一致，精确程度在 99.99% 以内。」论文作者表示。

论文地址：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.041050

尽管实验已经非常精确，但论文作者之一、UEA 物理学院的 Robert Ferdman 博士还是提醒说：「尽管爱因斯坦的广义相对论已被证明非常成功，但我们知道这并不是引力理论的最终定论。」

为什么要挑战广义相对论？

尽管广义相对论已经提出 100 多年，但世界各地的科学家仍在努力寻找该理论中的缺陷。该研究团队认为广义相对论与量子力学所描述的其他基本力不兼容，因此当前应该尽可能地对广义相对论进行最严格的测试，以发现该理论的缺陷。

研究者称：「广义相对论如果存在偏差，将是一项重大的发现，将为物理学打开目前对宇宙的理论理解之外的一扇新窗。这可能有助于我们最终发现关于自然基本力的统一理论。」

实验是如何进行的？

在马克斯普朗克射电天文研究所 Michael Kramer 的带领下，来自十个国家的国际研究团队对爱因斯坦的理论进行了迄今为止最严格的测试。

该研究基于由团队成员在 2003 年发现的双脉冲星进行实验，它是目前用来测试爱因斯坦理论最精确的实验室。尽管广义相对论是在这类极端恒星以及用于研究它们的技术都未知的时候构思出来的。

Ferdman 博士介绍说：「脉冲星是一种高度磁化的旋转致密恒星，它从其磁极发射电磁辐射束。」脉冲星的质量比太阳还大，但它们的直径只有 15 英里左右，因此它们的密度非常高，它们产生的无线电波束像灯塔一样扫过天空。

研究团队发现的双脉冲星由两颗脉冲星组成，它们在短短 147 分钟内以大约 100 万公里 / 小时的速度相互环绕。其中一颗脉冲星（主星）旋转得非常快，大约每秒 44 次，而另一颗脉冲星（伴星）的自转周期约为 2.8 秒。它们围绕彼此的运动几乎可以用作完美的引力实验室，可以在存在非常强的引力场的情况下测试引力理论。

该研究测试了爱因斯坦理论的基石，即引力波携带的能量。其精度是诺贝尔奖得主发现的 Hulse-Taylor 脉冲星的 25 倍，是目前使用的引力波探测器的精度的 1000 倍。

这些观测结果不仅与理论一致，而且该研究还观察到了以前无法研究的一些现象。

从发现双脉冲星系统开始，乔卓尔 · 班克天文台的洛弗尔望远镜每隔几周就会对其进行一次监测。这种高质量和频繁观测提供了一个极好的数据集，可以与来自世界各地天文台的数据相结合。

论文作者之一、不列颠哥伦比亚大学的 Ingrid Stairs 教授介绍说：「我们跟踪从一个脉冲星发出的无线电光子的传播，并跟踪它们在另一个脉冲星（伴星）的强引力场中的运动。」

该研究首次观测到光是如何由于伴星周围强烈的时空曲率而延迟的，并检测到光以 0.04 度的微小角度偏转。以前从未在如此高的时空曲率下进行过这样的实验。

来自澳大利亚国家科学机构 CSIRO 的 Dick Manchester 教授表示，「像这样的紧凑物体的快速轨道运动——它们的质量比太阳大 30%，但直径只有 24 公里——让我们能够测试广义相对论的许多不同预测——总共 7 个！」

「除了引力波和光传播，我们的精度还允许我们测量『时间膨胀』的影响，这种影响使时钟在引力场中运行得更慢。」

「在考虑快速旋转的脉冲星发出的电磁辐射对轨道运动的影响时，我们甚至需要考虑爱因斯坦的著名方程 E = mc^2。这种辐射相当于每秒损失 800 万吨的质量！虽然看起来很多，但其实这只是脉冲星每秒质量的很小一部分。」

研究人员还以百万分之一的精度测量到，该轨道改变了它的方向，这是一种众所周知的相对论效应，在水星轨道上也有，但在这里要强 14 万倍。

他们意识到，在这个精度水平上，他们还需要考虑脉冲星的旋转对周围时空的影响，它是随着旋转的脉冲星被一起「拖动」的。

该研究的另一位主要作者、MPIfR 的 Norbert Wex 博士说：「物理学家将其称之为冷泽 - 提尔苓效应或参考系拖拽。在我们的实验中，这意味着我们需要考虑脉冲星作为中子星的内部结构。因此，我们的测量首次允许我们使用精确跟踪中子星旋转的技术（脉冲星计时技术），以获得对中子星扩展的约束。」

脉冲星计时技术与精密的干涉测量系统相结合，以高分辨率成像确定其距离，结果是 2400 光年的值，误差仅为 8%。

来自澳大利亚斯威本大学的 Adam Deller 教授也是该团队的一员，他表示，「不同且互补的观察技术结合在一起，增加了实验的极端价值。过去，类似的研究经常因为我们对这些系统的距离知之甚少而受到阻碍。」

现在，情况已经完全不同了。除了脉冲星计时和干涉法外，从星际介质效应中所获得的信息也被仔细地考虑在内。

加州大学圣地亚哥分校的 Bill Coles 教授对此表示赞同：「我们收集了关于该系统的所有可能的信息，并得出了一个一致的图景。这个图景涉及到许多物理研究领域，如核物理、引力、星际介质、等离子体物理等等。这是非常不同寻常的。」

同样来自 MPIfR 的 Paulo Freire 表示，「我们的实验结果对其他实验性研究形成了很好的补充，那些研究在其他条件下测试引力或观察不同的影响，比如利用引力波探测器或事件视界望远镜。它们还补充了其他脉冲星实验，比如我们在恒星三重系统中对脉冲星的计时实验，该实验为自由落体的普遍性提供了独立而卓越的检验。」

Kramer 教授补充说，「我们已经达到了前所未有的精确水平。未来用更大的望远镜进行的实验将推动人类走得更远。我们的研究已经表明了此类实验需要以何种方式进行，以及哪些微妙的影响需要纳入考虑。总有一天我们会发现广义相对论的一个偏差。」

参考链接：https://scitechdaily.com/challenging-einsteins-greatest-theory-in-16-year-experiment-theory-of-general-relativity-tested-with-extreme-stars/

原标题：《爱因斯坦yyds？广义相对论刚刚通过了一场历时16年的严格检验》

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