[小红猪]爱因斯坦的终极实验室
译者：潘格温
校对：Sheldon
原文地址：Einstein’s Ultimate Laboratory
来自Sheldon的导语：两个质点绕着共同的质心转动，高中生就可以轻松搞定。但科学家们温故而知新，从看似简单的双星系统中找到了许多支持广义相对论的证据。
一个最近（2003年，可见维基相关词条）发现的双脉冲星系统给科学家提供了一个黄金机会来检验广义相对论。
1609年，伽利略·伽利莱把他的望远镜对准天空，创立了现代天文学。从那以后，现代科学和天文学允许我们发问在地球上导出的定律能否适用于太空，进而把我们和宇宙联系在一起。这其中最让人感兴趣的当属引力，一个例子便是，牛顿认识到苹果落地和行星运动是被同一种力所支配的。
尽管引力决定宇宙的演化，它却是一种极度微弱的力。当你摔了一跤把头撞在地板上时，也许很难接受这个观点，但要知道一个电子和一个质子之间的电磁力是它们之间引力的1040倍。因此对引力最严格的实验检验需要牵涉到很大质量的天体，诸如太阳，甚至更奇异的中子星和黑洞。
对水星环绕太阳轨道的研究提供了清晰的迹象表明牛顿的理论并不是全部。尽管如此，牛顿万有引力定律还是统治了两百多年，直到爱因斯坦的广义相对论解释了牛顿理论与观测的矛盾之处，才将其取代。
广义相对论已经应用于我们日常的GPS导航系统，但广义相对论就是我们对引力的终极认识吗？广义相对论出色地经受住了每一次实验检验(S&T: July 2005, page 33)。但尽管付出了几十年的努力，理论学家们依然没有办法把广义相对论和量子力学——一种已被接受的微观世界的物理学，统一起来。
我们是接受广义相对论还是量子力学？我们要不要考虑别的选择或者修改广义相对论来得到万有理论？只有实验才能回答这个问题，天文学家正在更加极端的实验条件下努力做出广义相对论更为精确的检验。这其中最激动人心的实验牵涉到一对被称作双脉冲星的高度致密的星体。
衰减中的轨道
双脉冲星系统，依照它在大犬座的坐标被编号为J0737–3039，使得物理学家梦想成真。它是在2003年由玛塔·博盖 (Marta Burgay，意大利博洛尼亚大学) 领导的一个国际研究小组在澳大利亚的帕克斯天文台（Parkes Observatory）发现的，它是已知的唯一包含两颗活跃的射电脉冲星的系统。脉冲星A每22毫秒自转一圈，而它的同伴B以2.7秒的周期自转。
由两个中子星组成的双星系统在这之前就被发现了，1974年第一个这样的系统（B1913+16）的发现让约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）和拉塞尔·赫尔斯（Russell Hulse）获得了1993年的诺贝尔物理奖。但这些其他的系统只包含一个可见的射电脉冲星，它绕着另一个看不见的中子星旋转。我们可以从J0737得到多得多的信息，因为我们收到了来自它的两个而非一个星体的有规律的脉冲信号。
更妙的是，在已知的双中子星系统中，J0737的两颗中子星相互距离最短。J0737的两个成员不到145分钟就绕着对方旋转一圈，轨道运行速度达每小时一百万千米(S&T: March 2004, page 22)。而两颗星体之间的距离只有900,000千米，这大约只是地月距离的两倍。该系统紧密的轨道和高速的运行加强了广义相对论的效应。
但这两颗星的相互距离并不是恒定的。我隶属于一个由射电天文学家组成的国际研究小组，我们使用64米口径的帕克斯望远镜，位于西弗吉尼亚的100米口径的绿岸望远镜，和位于英国卓瑞尔河岸天文台的76米口径的洛弗尔望远镜，对J0737进行常规监测。我们通过监测脉冲星的脉冲信号来跟踪它们的运动，这使得我们可以探测它们各自的引力场是如何影响轨道运行的。和牛顿物理学不同，广义相对论认为轨道运动只由时空的曲率决定，而曲率本身又由存在于时空中的质量决定。因此双脉冲星为检验广义相对论提供了完美的实验装置：我们有两个精确的时钟，分别附在两块大质量的实验物体上，在强大引力场的影响下，它们在弯曲的时空中绕着对方旋转。
我们的测量表明，该系统双星间的距离在以每天7.42 ± 0.09毫米（0.29 ± 0.004英寸）的速率缩减，这将导致它们在八千五百万年后碰撞。该收缩速率和广义相对论的预言完美符合。我们之所以能精确测量到如此微小的改变，尤其还是在这个系统距离地球2,000光年开外的情况下，完全是由于快速自转的脉冲星诸如A是非常精确的宇宙计时器。（参见“为什么脉冲星是极好的时钟”）。
根据爱因斯坦的理论，运动中的脉冲星在时空中产生“涟漪”，从而以引力波的形式带走轨道能量。泰勒和赫尔斯得到诺贝尔奖是因为发现B1913的轨道在衰减，这是引力波存在的第一个间接证据。引力波探测器比如LIGO（激光干涉引力波天文台）就是用来检测这些信号的（参见“搜寻引力波”）。我们仅仅在双脉冲星系统发现后的几年里就可以测量到由引力辐射引起的轨道收缩，这是很了不起的。它反映了双脉冲星是已知的最具有相对论效应的双星系统，所以，这也并不奇怪，我们还可以通过它测量许多其他的广义相对论预言的效应。
轨道进动
我们在双脉冲星系统中可以观测到另一种相对论性效应，当年正是这种效应第一次撼动了牛顿理论的正确性。在19世纪，法国数学家奥本·尚·约瑟夫·勒维耶（Urbain J. J. Le Verrier）注意到水星的轨道在空间中慢慢旋转，并且该轨道进动的速率虽然很小，但却和牛顿的物理学不符。他给出了若干解释，包括存在一个看不见的行星（祝融星）影响水星的运动。但直到爱因斯坦在1916年发表了他的广义相对论，水星近日点每年0.00012°微小的进动才完全被它在太阳周围弯曲的时空中的运动所解释。
我们在双脉冲星中也可以看到同样的进动效应，但双脉冲星周围的时空弯曲要严重得多，所以效应更加明显。我们测量到两个脉冲星的轨道在以每年16.8995 ± 0.0007°的速率进动。水星轨道进动一周需要三百万年，而双脉冲星只需要21.3年！在这21.3年中，它那造型有些奇异的轨道相对地球自转一圈，从而使我们可以从不同侧面观察这个系统，就像我们乘坐宇宙飞船在它轨道周围兜个圈子。
夏皮罗时间延迟效应
双脉冲星周围的时空曲率可以被直接观测到，这得益于它们的轨道相对于地球呈一个很特殊的方向。非常幸运的是，这两颗脉冲星都把它们的射电波束直接射向我们，并且我们看它们的轨道是几乎侧视的（即视线和轨道转动轴垂直，或轨道平面和观察者视线横切——译者注）。这种对齐方式有两点极有吸引力的结果。首先，我们可以在上合时观测到长达30秒的食，此时两颗脉冲星和地球连成标准的直线，使得一颗脉冲星挡住另一颗的脉冲信号。
其次，在合发生前后，从一个脉冲星发射出来的信号在传到地球的途中要从它的同伴身边掠过。在这个时候，信号会穿过严重弯曲的时空，这就使得信号传播到地球比该脉冲星远离合的时候要花费略多的时间——那时信号是在更加平坦的时空中传播的。由于时空弯曲多出来的距离使得脉冲信号比平常时候要晚100微秒到达我们的望远镜，这和广义相对论的预测是吻合的。
这种效应叫做夏皮罗时间延迟效应（Shapiro delay，也叫引力时间延迟效应——译者注），它是为了纪念在1964年首次在太阳系中检测到这种效应的天文学家欧文·夏皮罗。通过测定在不同轨道相位下的准确的延迟时间，我们可以测得这两个中子星的引起时空弯曲的质量和它们的轨道倾角——即脉冲星发出的信号偏离它们轨道平面的远近程度。测量表明，它们的轨道平面的确是和我们的视线几乎共面的，和完全平行只差1.5 ± 0.5°，并且我们知道一颗脉冲星的射电信号在经过另一颗附近时距离它只有20,000千米。
引力时间膨胀
广义相对论还预言了在不同强度的引力场中，引力场会相应地改变的时间流逝速率。结果，在强引力影响下的时钟会走得慢些。物理学家已经通过将原子钟搭载在飞机上的实验在地球上证明了引力时间膨胀效应的存在，该实验中，由飞机携带的在较高处（远离地球的质心）的时钟走得比在较低处的快一点。这种在地球上的实验检测出的时间膨胀效应只会达到毫微秒级。
但是双脉冲星产生的引力时间膨胀要大得多。我们可以通过双脉冲星轻易地测量时间膨胀现象，因为它的轨道有些怪异（不是标准的圆——译者注），这样两个脉冲星之间的距离（因此它们之间的引力场强度）会随着它们在轨道上的不同位置而改变。结果就是测量到的脉冲时钟的频率（同时考虑到一种狭义相对论效应）呈现振幅达386 ± 3微秒的周期性变化。
计算脉冲星质量
我们已经清楚地证实了这么多迷人的广义相对论效应，但为了验证这个理论的正确性，我们还有一步要走。这个理论还必须能对被测效应的准确强度做出预言。
对于包括广义相对论在内的所有“合理的”引力理论来说，每种效应的强度应当由两个脉冲星未知的质量决定。只需测量两种相对论效应，我们就可以计算出脉冲星的质量——这得在假定广义相对论是正确的情况下。但是我们可以通过测量一些其他的相对论效应来检验这个假定。对任给的两个广义相对论效应的组合，如果该理论是对自然界的正确描述，我们理应通过它们计算出同样的脉冲星质量。如果广义相对论对哪怕一种相对论效应的正确强度预言失败，那么我们就得抛弃这个理论。
通过双脉冲星我们可以对广义相对论进行四项检验，它们都是互相独立的。而在进行这些检验的同时，我们还可以利用只有这个系统才具有的另外一些信息——两个脉冲星的质量比。因为两个脉冲星都是绕着一个共同的质心运动，质量较大的脉冲星距离质心比另一个要近。通过测量它们各自轨道的大小，我们可以立即推导出这两个脉冲星的质量比。
这是独一无二且极具价值的信息。无论什么样的可以决定两个脉冲星质量的理论，它都必须得到跟刚才的测量结果相同的相对质量比。广义相对论正可以做到这一点。预期结果和实验结果的对比显示了完美的符合。在最精确的实验中，我们计算出预期和观测数据之间的比值为1.0000 ± 0.0005。这是目前为止在强引力场中对广义相对论做出的最好的检验。同时，我们也非常精确地测量了脉冲星的质量：自转更快的脉冲星A，有1.3381 ± 0.0007个太阳质量，而脉冲星B要轻一点，为1.2489 ± 0.0007个太阳质量。
双星食
让人叹为观止的是，我们可以仅通过精确测量从每个脉冲星发射来的脉冲信号到达的时间来得出以上这些结论。但在射电发射中还隐藏着进一步的信息。确实，我们可以从研究脉冲星A在上合时发生的掩食中学到更多东西。这些食是由于脉冲星B的炸面圈形状的磁层——其中充满了吸收性强的等离子体——挡住脉冲星A的波束近乎30秒而形成的。
但是这种遮挡并不完全。由于B的磁层的几何外观和有限大小，A的一部分脉冲在发生掩食现象的时候仍然可以被检测到。我们对食的仔细监测显示，食的形状和捕捉到脉冲信号的图谱在缓慢地变化。这只能是因为它的几何形态，即B的磁层的方向——也即它的自转轴方向，在规律地变化。我们期望这种变化是由于另一个广义相对论预言的效应。
人们后来发现脉冲星的自转和轨道运动是互相影响的。这种相对论效应，称作自旋-轨道耦合，导致了脉冲星B自转轴的进动（摆动）。这种变化的速率较小，广义相对论预言它摆动一圈需要71年。尽管如此，进动的影响可以通过观测数据明显地看到，而且我们可以用建模得出测量进动速率的方法。实际上，自旋进动已经使得B的信号在去年消失了，因为它发射的波束不再指向我们。它将消失多久尚未可知，因为我们还不知道它的波束的准确形状。
测量到的进动速率和广义相对论预言的吻合再一次让人称道，这不仅代表对该系统的第五项检验，也是对在强引力场中相对论性自旋进动的第一次高精度检验。在1919年的日全食首次允许天文学家检验爱因斯坦的引力理论之后，两颗已经死亡的恒星的掩食给这个理论提供了一个全新而激动人心的验证，这实在是让人心生满足。
一个不平凡的故事
我们的观测和广义相对论的预言之间的精确地符合，不仅极大地支持了爱因斯坦理论的正确性——至少对于双脉冲星产生的强引力场来说——而且它还为其他可能的引力理论加上了严格的限制。这些限制会随着时间而得到改进，因为我们测量的精确性也在不断进步。如果广义相对论需要被修改来解释对暗能量和暗物质的观测结果，那么得到的新理论可能和广义相对论在很多方面都是很相似的。找到广义相对论和实验的矛盾之处——如果它们存在的话——并不会降低爱因斯坦对我们理解物理世界的特有贡献，反而会成为一个标志新物理学开端的重大事件。
我们应当为生活在如此激动人心的时代而感到庆幸。很快，在瑞士的大型强子对撞机（Large Hadron Collider）将证明或否定粒子物理的标准模型。我们同时即将有能力直接检测到引力波。再加上对双脉冲星的观测，以及对可能存在的脉冲星环绕黑洞运行的系统的研究，我们将能在最极端的条件下检验广义相对论。综合所有的结果，通过大量互为补充的实验，我们正在向万有理论跨近一步。脉冲星显然会成为这个旅程中的一员，并且我敢说爱因斯坦会喜欢这个用来检验他理论的不同寻常的方式。
碰撞过程
脉冲星的追踪者 一个国际研究小组用这三个大型望远镜对脉冲星进行监测：（从左至右）位于西弗吉尼亚的绿岸望远镜，位于英国的洛弗尔望远镜，还有位于澳大利亚的帕克斯望远镜。
双脉冲星的起源
J0737-3039的两个脉冲星都是在超新星爆发中产生的。通常，超新星爆发极为剧烈，因此会瓦解双星系统。一般情况下，较大质量的脉冲星（脉冲星A）先形成，而脉冲星B的前身质量较小，需要更多时间来演化。一旦B的前身膨胀成了红巨星，物质就由B飞向A，使得A的自转周期加速到现在的22毫秒。稍后，脉冲星B在超新星爆炸中产生，成为一个自转周期为2.7秒的脉冲星。
有趣的是，天文学家测量出双脉冲星的轨道在空间中的整体速度很小，只有10千米每秒，这表明第二次爆发可能相当“轻柔”，并且可能牵涉到中间的步骤——B的前身的中心先产生一个白矮星，该白矮星在引力作用下坍缩成一个中子星。
路易斯安那州的激光干涉引力波天文台（LIGO） 美国国家自然科学基金会拨款建立了LIGO，它由分别位于路易斯安那州和华盛顿州的实验室组成的，用来检测来自如双脉冲星这样的系统的引力波。但除非在双脉冲星将要碰到一起的时候，它们的引力波是如此之小以至于连LIGO也无法检测到它们。该图显示了坐落在路易斯安那州利文斯顿的LIGO设施。
搜寻引力波
大多数关于引力的理论，包括广义相对论，预言时空因为质量的存在而弯曲。如果这些质量在加速运动的话，那么曲率就会改变，并像波一样向外传播。对第一个双脉冲星系统（PSR 1913+16）的观测间接证明了引力波的存在，它是由约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯在1974年发现的。
要直接测量引力波的影响，我们需要测得大质量待测物体在引力波通过时引发的运动。诸如LIGO这样的引力波探测器旨在地球上的实验室中探测宇宙引力波的影响。J0737–3039的发现暗示在我们的星系中还有更多这样的源，这就把LIGO成功的可能性提高了5倍到10倍。
为什么脉冲星是精确的时钟
脉冲星，例如在蟹状星云中心的那颗（下图），是具有强磁场，快速自转的中子星，它们会沿着它们的磁轴发射电磁波。在地球上看，一个脉冲星的磁轴和它的自转轴之间有夹角，因此转动的射电波束就向灯塔的光束一样在宇宙中扫过。如果地球碰巧在光束能扫到的区域内，敏锐的天文望远镜就可以以周期射电脉冲的形式捕捉到射电波束，脉冲的周期对应着中子星自转的周期。
这种周期信号的规律性令人难以置信。由于中子星把大约1.4倍太阳质量的物质压缩进了一个城市般大小的直径只有20公里的球里，这个极度致密的天体就像一个大质量的飞轮，它的周期很难被干扰。这使得它成为一个可以被天文学家利用的精确的宇宙时钟。
本文作者迈克尔·克莱姆是位于德国波恩的马克斯·普朗克射电天文学研究所的所长，他还在英国曼彻斯特大学拥有天文学教授的职位。
感谢《中国国家天文》编辑部提供原稿