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早安,爱因斯坦先生!| 引力波天文学之五

知社学术圈  · 公众号  · 科研  · 2017-10-13 07:01

正文

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在现实中,爱因斯坦为了得到一套自洽地、能完整描述引力现象的理论,花了将近十年时间。推导出了他的方程后不久,爱因斯坦就发现,他的新引力理论能够解释一个世纪难题:水星近日点的进动。


学过牛顿引力的人都知道,行星绕太阳的运动应该是个椭圆——嗯,约翰内斯·开普勒就是这么说的。但是,离太阳最近的那颗行星——水星——却有些捣蛋。它在椭圆轨道的基础上,有微小的进动行为;如此一来,它的轨道便不再是封闭的椭圆了。有人曾猜想,是不是还有颗行星尚未被人发现、是其干扰导致了水星的进动呢?帅气到爆的行星名字都取好了(叫“火神星”);但尴尬的是,艰苦长久的搜寻却没有找到这样一颗行星。


——水星近日点的进动(C)Wikipedia——


爱因斯坦说,“厚厚厚,我的理论很简单,不需要火神星哦。”——爱因斯坦定量地解释了水星的进动,他是对的。


而真正把爱因斯坦塑造成“科学神”的是亚瑟·爱丁顿爵士在1919年对于光线偏折的观测。如果放到今天,爵士就是一位拿着个大单反、顶个大斗笠、专业看日食的富家子弟。爱丁顿的观测结果与被尊崇了近三百年的牛顿引力的预言不符,却与爱因斯坦的预言相一致。爱因斯坦听说后,贱贱地说,“厚厚厚,那是当然了。要是与我的预言不一致,我会替造物主感到遗憾呢。厚厚厚。”——爱因斯坦还是对的。


其后近百年的各类实验,都逐一验证了爱因斯坦广义相对论的各个方面。有很多的实验,其精度已经达到了让人咋舌的地步,但仍与广义相对论的预言高度一致。就算在我们现在的日常生活中,GPS的定位都要用到广义相对论的修正,否则会有一定的定位误差、就算老司机也要车毁人亡呢。


爱因斯坦的强场(1):中子星

既然在近百年的各类实验中,爱因斯坦的广义相对论总是对的,那么我们服气就是了;还有什么别的有意思的事情可以做吗?容读者思考三秒后——哦,好像也没有什么别的有意思的事情可以做,现在睡觉又有点早——那么,读者朋友们,我们就接着怼爱因斯坦吧。


前面做的大多数引力实验,都是在太阳系内引力场很弱的情况下做的。举例来说,太阳表面的引力场,如果用一个无量纲的数值来描述——即无量纲化的质量除以半径,就是1e-6(也就是百万分之一);而在广义相对论框架下的中子星、黑洞的半径是如此之小,其引力强度数值可以达到将近一(具体来说,中子星为0.1;黑洞为0.5)。


“嘿,老爱,饭吃了吗?”挑衅的人坏坏地问。


爱因斯坦别过头来,“刚吃了呢,吃了三个包子,很不错噢。你有什么事吗?”


“听说你的引力理论在很弱的引力场下是对的,那强场呢?”


“厚厚厚,来怼我喽!”爱因斯坦笑着说。


——中子星(C)Casey Reed——

中子星是恒星演化后期,塌缩下来后形成的“太空舍利子”(详情请看来小禹和徐仁新的文章)。有一些引力理论,它们在弱场的情况下,与广义相对论十分接近,也就是无法通过太阳系内的弱场实验来区别二者。但由于中子星表面的引力场很强,这些理论预言出与广义相对论十分不同的结果。比如说,在时空曲率(引力子)的基础上,如果还存在别的成份来传播引力,那么就可能有很不相同的中子星。


中子星的精确观测,一般通过大型射电望远镜来进行。比如近些年,我国在贵州就专门建了个大型锅——哦,不对,是射电望远镜——名字叫“快”(其实人家是叫FAST啦)来怼爱因斯坦。但“天眼快锅”的运行才刚刚开始没多久,需要更多时间的调试与数据积累;相信必有突破——我们拭目以待。


——FAST射电望远镜,中国贵州(C)Xinhua News——


就现在而言,根据近五十年的观测,各类中子星系统中均未发现存在与广义相对论有出入的地方。特别是对于双中子星轨道衰减的测量,在极高的精度上与爱因斯坦的预言相一致。——爱因斯坦又是对的。


爱因斯坦的强场(2):“死星”黑洞

那么,黑洞呢?黑洞不是更强引力场吗?


亲爱的读者朋友们,我们前面说过,爱因斯坦“掰弯时空”得到广义相对论是在1915年。而在同一年,一个叫卡尔·希瓦兹的德国士兵在第一次世界大战前线把时空“掰弯”到了极致,从而得到了一个黑洞解!他也是一个挺拼的科研工作者,现在一边打仗、一边推公式的人可不多了。可惜,希瓦兹从苏联前线打仗回来后,染上了自身免疫性天疱疮疾病,第二年便过世了。


所谓黑洞解,它最大的特点就是黑。它有一个边界,叫做“视界”。任何东西,只要过了这个边界,引力是如此之强,便无法从黑洞逃出;就算快如闪电也不行。本文我们不讨论量子效应,因为这是一块尚未发展完全的理论;用术语来说,我们只讨论“经典”的黑洞。希瓦兹得到的黑洞解是最简单的不旋转的情况,更普遍的情况是旋转的黑洞。但解爱因斯坦的场方程是如此之难(“厚厚厚,怪我喽……”,爱因斯坦笑着),直到1963年,新西兰的数学家罗伊·克尔才解得了旋转黑洞解。他发了一篇有影响力的短文章,不带推导地说“喏,你们要的旋转黑洞解”。此后,该解开始为科学家大量使用。







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