愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論目前已戰(zhàn)勝了最困難的挑戰(zhàn)

廣義相對(duì)論已擊敗前去打擂臺(tái)的科學(xué)家——你以后愿意挑戰(zhàn)嗎？

廣義相對(duì)論保持著傲然屹立的姿態(tài)。

藝術(shù)家的脈沖星想象圖，包括環(huán)繞著高密度星體的極端磁場(chǎng)。（圖像授權(quán)：NASA，美國(guó)國(guó)家航天局）

廣義相對(duì)論迄今為止已抵擋了或許是最頑固的挑戰(zhàn)。

阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）于1916年發(fā)表的理論，掀起了一場(chǎng)人類(lèi)理解物理學(xué)和宇宙的革命。該理論聲稱(chēng)，地心引力為時(shí)空伸縮性的結(jié)果：巨物彎曲了時(shí)空，并造成沿其軌道旋轉(zhuǎn)的物體凹陷。

科學(xué)家在過(guò)去的105年多里反復(fù)試探廣義相對(duì)論，試圖發(fā)現(xiàn)該理論的不足情況和短板。截至目前，他們還未實(shí)現(xiàn)這種意圖。

在一項(xiàng)新的研究中，研究人員報(bào)告了一項(xiàng)最野心勃勃、涉及廣義相對(duì)論未攻克難題的挑戰(zhàn)結(jié)果。他們分析了一項(xiàng)雙脈沖星系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)——2003~2009年，7臺(tái)不同的輻射望遠(yuǎn)鏡從世界各地完成了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

脈沖星是一種中子星，或超密度的恒星殘骸。脈沖星放射出高能輻射光和粒子（粒子源于脈沖星的磁極）。這些光束是持續(xù)的，但他們出現(xiàn)在脈沖星周?chē)ㄕ缙涿驗(yàn)樗谛D(zhuǎn)。在磁極的一端指向地球時(shí)，上述的光便在地球可見(jiàn)。

研究人員所調(diào)查的那對(duì)脈沖星距離地球大約2400光年，其中一顆脈沖星一秒鐘旋轉(zhuǎn)44次，而另外一顆脈沖星則每2.8秒才完成一次旋轉(zhuǎn)。兩顆脈沖星圍繞共同的龐大中心，每147分鐘旋轉(zhuǎn)一周，它們每小時(shí)穿越空間62萬(wàn)千米（100萬(wàn)千米/小時(shí)），工作人員說(shuō)。

像此類(lèi)快速移動(dòng)并相互影響的軌道型物體——比如上述那一對(duì)——他們的體積大約比太陽(yáng)多30%，但距離它只有24千米（15英里）。這樣的情況允許了研究者進(jìn)行數(shù)量眾多、變化萬(wàn)千的廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)——總共有7個(gè)！”英聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究機(jī)構(gòu)（CSIRO，為澳大利亞的國(guó)家科學(xué)機(jī)構(gòu)）的研究合著者迪克·曼徹斯特（Dick Manchester）說(shuō)。

并且，質(zhì)量與數(shù)量相配：“此項(xiàng)研究，成就了廣義相對(duì)論挑戰(zhàn)中前所未有的精確性?！惫ぷ魅藛T說(shuō)。

曼徹斯特說(shuō)：“除了引力波與光的傳播以外，實(shí)驗(yàn)的精確性允許了我們測(cè)量“時(shí)間膨脹”，其為讓時(shí)鐘在引力場(chǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)得更慢的效應(yīng)?！?““當(dāng)考慮處于軌道運(yùn)動(dòng)中的脈沖星，其快速旋轉(zhuǎn)并發(fā)射電磁輻射時(shí)，我們甚至需要將愛(ài)因斯坦的著名方程式“E=mc^2”納入計(jì)算?！?/p>

——阿爾伯特·愛(ài)因斯坦：傳記、理論與引言

——愛(ài)因斯坦的理論：廣義相對(duì)論

——什么是脈沖星？

7項(xiàng)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都已證實(shí)，研究鑄造完成。廣義相對(duì)論依然屹立不倒——但實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不意味著，研究者應(yīng)當(dāng)放棄對(duì)它的批判、追尋其漏洞并超越它。

“廣義相對(duì)論與量子力學(xué)描述的基本作用力水火不相容。所以重要的是，盡可能繼續(xù)將嚴(yán)苛的測(cè)驗(yàn)施加給廣義相對(duì)論，并孜孜不倦地尋求，何時(shí)、以何種方式，能將這座頑固的大廈推倒?！焙现?、英國(guó)東英吉利大學(xué)的物理學(xué)家羅伯特·福德曼（Robert Ferdman）說(shuō)。

福德曼補(bǔ)充道：“若尋找廣義相對(duì)論漏洞的意圖有朝一日實(shí)現(xiàn)，它將超越我們目前對(duì)宇宙的習(xí)慣性認(rèn)知，掀起新物理學(xué)重大發(fā)現(xiàn)的大革命。并且這樣的成功將幫助我們，探索并抵達(dá)四種自然力的終極理論——大統(tǒng)一理論。

相關(guān)知識(shí)

廣義相對(duì)論是現(xiàn)代物理中基于相對(duì)性原理利用幾何語(yǔ)言描述的引力理論。該理論由阿爾伯特·愛(ài)因斯坦等人自1907年開(kāi)始發(fā)展，最終在1915年基本完成。[1]廣義相對(duì)論將經(jīng)典的牛頓萬(wàn)有引力定律與狹義相對(duì)論加以推廣。在廣義相對(duì)論中，引力被描述為時(shí)空的一種幾何屬性（曲率），而時(shí)空的曲率則通過(guò)愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程和處于其中的物質(zhì)及輻射的能量與動(dòng)量聯(lián)系在一起。

在室女A星系中心的黑洞，此為人類(lèi)首次觀測(cè)并得到確認(rèn)的黑洞影像

從廣義相對(duì)論得到的部分預(yù)言和經(jīng)典物理中的對(duì)應(yīng)預(yù)言非常不同，尤其是有關(guān)時(shí)間流易、空間幾何、自由落體的運(yùn)動(dòng)以及光的傳播等問(wèn)題，例如引力場(chǎng)內(nèi)的時(shí)間膨脹、光的引力紅移和引力時(shí)間延遲效應(yīng)。廣義相對(duì)論的預(yù)言至今為止已經(jīng)通過(guò)了所有觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證——廣義相對(duì)論雖然并非當(dāng)今描述引力的唯一理論，但卻是能夠與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合的最簡(jiǎn)潔的理論。不過(guò)仍然有一些問(wèn)題至今未能解決。最為基礎(chǔ)的即是廣義相對(duì)論和量子物理的定律應(yīng)如何統(tǒng)一以形成完備并且自洽的量子引力理論。

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論理論在天體物理學(xué)中有著非常重要的應(yīng)用。比如它預(yù)言了某些大質(zhì)量恒星終結(jié)后，會(huì)形成時(shí)空極度扭曲以至于所有物質(zhì)（包括光）都無(wú)法逸出的區(qū)域，黑洞。有證據(jù)表明恒星質(zhì)量黑洞以及超大質(zhì)量黑洞是某些天體例如活動(dòng)星系核和微類(lèi)星體發(fā)射高強(qiáng)度輻射的直接成因。光線(xiàn)在引力場(chǎng)中的偏折會(huì)形成引力透鏡現(xiàn)象，這使得人們可能觀察到處于遙遠(yuǎn)位置的同一個(gè)天體形成的多個(gè)像。廣義相對(duì)論還預(yù)言了引力波的存在。引力波已經(jīng)由激光干涉引力波天文臺(tái)在2015年9月直接觀測(cè)到。此外，廣義相對(duì)論還是現(xiàn)代宇宙學(xué)中的膨脹宇宙模型的理論基礎(chǔ)。

BY: Mike Wall

FY: 楊宜修

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