在距離地球4200光年的金牛座方向上，有一個三星系統(tǒng)，它的編號是PSR J0337+1715。在這個系統(tǒng)中，有一對奇異的“情侶”：一顆是質(zhì)量為太陽的1.4倍、大小卻與阿姆斯特丹近似的中子星，另一顆是質(zhì)量只有太陽的0.2倍、大小卻與地球相似的白矮星，它們每1.6天會繞著彼此運轉(zhuǎn)一周。而在距離它們較遠的地方，有另一顆白矮星每327天圍繞著這對情侶運行一周。
○ PSR J0337+1715的藝術(shù)想象圖。| 圖片來源：NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello
在2011年的時候，美國國家科學基金會（NSF）的綠岸望遠鏡（GBT）的科學家發(fā)現(xiàn)這個擁有極端條件的三星系統(tǒng)，是檢驗愛因斯坦理論的絕佳天然實驗室。7月4日，研究人員在《自然》雜志上發(fā)表了他們的最新實驗結(jié)果：愛因斯坦再次被證明是正確的，這意味著要超越他的理論又更加困難了。
愛因斯坦的廣義相對論是迄今為止描述引力最成功的理論，自提出之后的100多年來，科學家不斷地嘗試在各種不同的條件下對它進行檢驗。就像所有成功的理論一樣，廣義相對論做出了許多可檢驗的預(yù)言。其中一個最重要的便是“等效原理”，它是指所有的物體，無論它們大小如何或是由什么構(gòu)成，都會以相同的方式下落。
兩種質(zhì)量
為了更好的理解這是怎么一回事，讓我們先從最基礎(chǔ)的開始。
在手中握一個物體，不管這個物體是什么，它都會具有一定質(zhì)量。我們對這一質(zhì)量進行思考的方式可以有兩種。牛頓教導(dǎo)我們的是，如果我們對一個物體施加作用力，那么它就會具有一個加速度，加速度的大小與施加的力成正比，與物體本身的質(zhì)量成反比。比如你向一輛熄火了的汽車施加一個推動力，或許無法讓它很快加速，但若將同樣大小的力施加到一個超市的購物車上，或許就能把它推送到很遠的地方。當我們考慮一個物體的加速度是由施加在它身上的力所引起的時候，我們考慮的是物體的“慣性質(zhì)量”。
任意兩個具有質(zhì)量的物體會通過引力相互吸引。因此，你手中握住的物體會受地球吸引，而將它向下吸引的力的大小取決于物體本身的質(zhì)量。在這種情況下，我們考慮的是它的“引力質(zhì)量”。
如果釋放手中的物體，重力將吸引物體向地面作“自由落體”的加速運動。把物體拉下來的力的大小取決于引力質(zhì)量，但加速度的大小取決于慣性質(zhì)量。現(xiàn)在的問題是，這兩種質(zhì)量有什么區(qū)別嗎？為了找到答案，我們可以寫一個連接這兩種質(zhì)量的運動方程：讓方程的一側(cè)是慣性質(zhì)量，另一側(cè)為引力質(zhì)量。
我們可以用一個實驗來檢驗這一方程所預(yù)測的東西：如果慣性質(zhì)量等同于引力質(zhì)量，那么所有物體無論其質(zhì)量為何，都應(yīng)以相同的加速度落向地球。也就是前面所說的“等效原理”。
○ 花盆和鯨魚在相同的引力場中有相同的加速度，因此它們將同時著陸。| 圖片來源：[4]
早在16世紀的時候，伽利略就發(fā)現(xiàn)，在同一高度上同時釋放兩個質(zhì)量不同的物體，它們將同時落地。然而在地球上，還有一個力會作用在墜落物體上，那就是空氣阻力。如果你釋放的是一把錘子和一片羽毛，那么羽毛會落后于錘子，輕輕地飄到地面，它的運動并非嚴格的自由落體。但如果在沒有大氣阻力的月球上進行這個實驗，等效原理就很明顯（如同宇航員大衛(wèi)·斯科特所做的那樣）。
雖然，等效原理已經(jīng)多次在地球和月球上被驗證，但我們并不清楚該理論是否適用于所有的情況，例如當研究的對象是那些極度致密的天體。如果在某些情況下，我們能夠發(fā)現(xiàn)不同于廣義相對論的預(yù)言的差異，哪怕這種差異是微末的，都意味著我們需要修正現(xiàn)在的引力理論。
特別是，科學家一直想知道，自由落體的普遍性是否適用于具有很強的“自引力”的物體，也就是說它們自身能產(chǎn)生較強的引力場。事實上，一些修正過的引力理論認為，自引力強的物體在自由落體過程中可能會違背等效原理，而不同于廣義相對論所認為的應(yīng)該具有普遍性。
星星之舞
為了驗證科學家的猜測，他們在宇宙中尋找那些奇異的天體，最終鎖定了文章開頭提到的由兩顆白矮星和一顆中子星組成的三星系統(tǒng)。更精確地說，這顆中子星是一顆“毫秒”射電脈沖星，它每秒會旋轉(zhuǎn)366次，并像燈塔一樣有規(guī)律的發(fā)射出脈沖。然而這只是觀測者效應(yīng)，從脈沖星的兩極釋放的是連續(xù)不斷的輻射，但是天文儀器只有在它們指向地球的時候才能探測到這些光束。而且由于脈沖星的旋轉(zhuǎn)，它們會以恒定的間隔將極點指向地球。
我們可以將脈沖星和白矮星組成的情侶系統(tǒng)的運動視為它們朝著另一顆白矮星進行自由落體，這就好比是發(fā)生在地球周圍的衛(wèi)星一樣，它們所作的是沒有抵達地面的自由落體。當然，脈沖星和白矮星本身就是質(zhì)量很大的天體，具有很強的自引力。根據(jù)廣義相對論的預(yù)測，盡管這對白矮星-脈沖星情侶在質(zhì)量和自引力方面存在差異，但它們是朝著外面的那顆白矮星作自由落體，因此它們的加速度應(yīng)該完全相同。
○ 如果慣性質(zhì)量≠引力質(zhì)量，那么脈沖星的軌道將會發(fā)生輕微的搖擺，也就是說脈沖星的運行路徑與內(nèi)部白矮星的運行路徑之間會出現(xiàn)差異。這種搖擺會導(dǎo)致脈沖星輻射的到達時間與預(yù)期稍微不同。
○ 如果慣性質(zhì)量≠引力質(zhì)量，那么脈沖星的軌道將會發(fā)生輕微的搖擺，也就是說脈沖星的運行路徑與內(nèi)部白矮星的運行路徑之間會出現(xiàn)差異。這種搖擺會導(dǎo)致脈沖星輻射的到達時間與預(yù)期稍微不同。| 圖片來源：[4]
