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科学家:金牛座三星系统或广义相对论


  时间7月21日消息,据国外报道,假设你是一名天文学家,对的隐藏有着种种精彩设想。于是就像任何出色的科学家一样,你设计了一项实验来验证自己的猜想。

  但坏消息是,你无法通过计算机模拟之外的方法开展这项实验。因为我们不可能像对待亚原子粒子一样,在培养皿中培养、或将它们搅和在一起。还好,大自然也在开展自己的实验。2012年首次发现、2014年正式揭晓的三星系统PSR J0337+1715就是这样一个例子。该系统位于金牛座星系中,距地球约4200光年。

  在这个三星系统中,三颗死去的恒星星核如同跳芭蕾般绕着彼此旋转。它们或许将(或改写)爱因斯坦提出的时空理论。上世纪70年代,一个双星系统曾为我们提供了强有力的间接,为广义相对论和引力波提供了支持。而LIGO已引力波确实存在。参与这项研究的科学家们最终获得了诺贝尔。而自从宣布发现三星系统以来,科学家对他们的进展一直秘而不宣。

  要把PSR J0337+1715看成一项实验,最好将它的存在具象化。在距该系统中心约为一个日地距离的地方,有一颗冰冷的白矮星。它是一颗类似太阳的恒星遗留下的坚硬星核。再往里去,则是一颗温度较高的白矮星。美国弗吉尼亚国立射电天文台的天文学家、负责此次观测任务的斯科特兰森(Scott Ransom)指出,这颗白矮星在夜空中发出“刺眼的”。

  靠内的白矮星每过1.6天便围绕伴星转动一圈。裸眼看不见这颗伴星,但在X射线和伽马射线图像上,两颗白矮星都比其伴星微弱得多。这颗伴星直径24公里,质量竟足有太阳的1.5倍。

  这颗伴星其实是脉冲星,是一颗较大恒星留下的遗骸。它每2.73毫秒便旋转一圈,就像一位疯狂的舞者。每次旋转都像灯塔一样、将射电波在中一圈。地球也在其扫射范围内,因此无数年来、它的每次旋转都在地球上留下了一道印记,如同一座极准的钟表。再加之这几颗的引力场十分密集、相互缠绕,用来测验爱因斯坦的理论再合适不过。

  兰森的团队一直在给这颗脉冲星计时、追踪三颗的轨道变化、并将结果与爱因斯坦的理论预测进行比较。如今,一项正在逐渐成型。

  在伽利略的比萨斜塔实验中,两个质量不同的物体落地时间完全相同;而在月球上,宇航员戴维斯科特(David Scott)也用一片羽毛和一根锤子取得了相同的结果。

  广义相对论中的强等效原理正是该现象的延伸。该原理认为,物体引力场再强、遇到引力时的表现也应完全相同。就像羽毛和锤子一样,内侧白矮星和重得多的脉冲星应对外侧白矮星的引力有着相似反应。否则内侧两颗的轨道就会更偏椭圆形,而这就了强等效性原理,广义相对论也就无法成立。这听上去颇为耸人听闻。但为此是迟早的事,因为广义相对论很难和其它自然理论和谐兼容,早已引发了人们的质疑。“除广义相对论之外的其它引力理论都预测强等效性原理会在某种尺度下失效。”兰森指出。

  在今年九月即将于英国举行的脉冲星大会上,兰森的团队希望能宣布最新研究结果。此次研究由博士后安妮阿奇博尔德(Anne Archibald)带领。他们将以更高的精确度、对等效性原理进行测试。但兰森指出,他们目前还没有这么做,因为还需进一步分析看似了等效性原理的数据规律。

  “这件事意义非凡,所以我们必须确定自己对数据的理解准确无误。”兰森表示。到目前为止,计算机仍在对数据进行分析。有人问他:“等论文发表之后,大家会不会吓一大跳呢?”“大多数人认为,强等效性原理并不会在这些尺度下失效。”兰森解释道,“因此我们必须竭尽全力、从各角度进行验证。”

  也许PSR J0337+1715系统是所做的一次完美实验。在这个实验中,广义相对论彻底失效,而不是仅仅从等式和模拟的层面站不住脚。具体如何,我们还当拭目以待。

2017-09-24 18:58

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