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科学家再次证明:相对论“自由落体普遍性”是正确的

伊尔女性网  发表于:2020-07-09 09:11:31

科学家再次证明:相对论“自由落体普遍性”是正确的

来自一项国际科学家合作的研究记录了迄今为止对爱因斯坦广义相对论基石之一“自由落体普遍性”的最准确的证实。

“自由落体理论”是伽利略在其著名的比萨斜塔实验中所提出,他将不同质量的物体从比萨斜塔的顶部推落,以验证它们是否同时到达地面。因而发现自由落体原理的普遍性,这一原则解释自由落体中的所有物体都以相同的速度加速,不管它们的质量如何。这个原理也是爱因斯坦广义相对论的核心。

然而,量子力学和广义相对论之间的矛盾,或者暗物质和暗能量在宇宙构成中占据主导地位的谜团让许多物理学家怀疑广义相对论可能不是万有引力的终极理论。

不过就6月发表在《天文学与天体物理学》杂志上的研究,科学家发现该理论竟也适用于中子星等强大引力天体。中子星是巨星坍缩后的核心,在其直径约12~18英里(20~30千米)的区域内聚集了大量物质。科学家们利用射电望远镜可以非常精确地观测到从脉冲星(一颗旋转的中子星)两极发射出辐射束,并测试爱因斯坦引重力理论对这些巨大天体是否也有影响。

其中,由曼彻斯特大学、巴黎天文台、PSL、法国CNRS和LPC2E(法国奥尔良)以及马克斯·普朗克射电天文研究所的合作团队记录了这些测量值。他分析了位于法国索洛涅市中心的Nancay大型射电望远镜所记录名为“PSR J0337 + 1715”脉冲星的信号。

这颗中子星的核心是太阳的1.44倍,但直径只有15英里(25千米),这颗恒星由两颗重力场更弱的白矮星环绕,类似于地球和月球绕着太阳和彼此绕行的方式。在太阳系中,如自由落体的普遍性所预言的那样,月球激光测距实验验证了月球和地球都受到太阳重力场的相同影响,也就是说轨道运动是自由落体的一种形式。

但是一些科学家推测,像中子星这样的巨大星体的存在可能违反自由落体的普遍性,因为其质量明显由其自身的引力组成。这样的违反也将违反广义相对论,广义相对论假设在所有情况下的重力加速度都是恒定的。

因此科学家们进行的新的脉冲星实验已填补了广义相对论中太阳系测试中所没有测试到的地方,因为广义相对论中的实验并没有测试到受自引力影响(self-gravitating)的物体,甚至也没有测试到太阳。

曼彻斯特研究小组通过追踪这三颗恒星到纳秒的位置,发现第一颗白矮星和脉冲星都以完全相同的速度向第二颗白矮星加速,从而再次验证了广义相对论。

研究小组解释,脉冲星的极端重力场与广义相对论的预测相差不超过180万分之一(置信度为95%)。这个结果是最准确的确认,即使存在质量主要取决于其自身重力场的物体,自由落体的普遍性也是有效的,从而进一步支持了爱因斯坦的广义相对论。

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