江苏龙网

  1. 首页 > 人文 > >

「相对论」时空正被拖曳：广义相对论再添新证据


出品：科普中国
制作：崔二亮(西北农林科技大学)
监制：中国科学院计算机网络信息中心
最近 ， 一篇关于在特殊的双脉冲星系统中观测到时空拖曳现象的文章发表在著名的《科学》(Science)杂志上 ， 广义相对论的成立再添新证据 。
证明时空拖曳存在 ， 对验证广义相对论非常重要
1915年 ， 爱因斯坦提出了广义相对论的引力方程 ， 次年总结完成了《广义相对论基础》 ， 描述了引力和时空的关系 。
在牛顿经典力学理论体系中 ， 时间和空间都是独立于物质的 ， 与物质的质量和运动无关 ， 因此被称为是绝对时空观 。 绝对时空中 ， 两个拥有质量的物体通过引力发生作用 ， 这就是著名的万有引力 。
而在爱因斯坦相对论体系中 ， 时间和空间是统一的 ， 且与物质的质量和运动有关 。 相对论时空中 ， 带有质量的物体通过引力场影响其周围时空的几何结构 ， 进而影响到其他带有质量的物体 ， 而引力场与质量物体的能量和动量密切相关 。
相对论性的时空观彻底颠覆了绝对时空 ， 与人的直观感受相去甚远 ， 因此很难被人们理解和接受 。 在爱因斯坦提出广义相对论后 ， 不少天文学家通过天文观测来验证广义相对论的猜想 。
根据广义相对论 ， 一个大质量天体的自转 ， 会对其周围的惯性参考系或者说时空造成拖曳 ， 时空拖曳的强度与天体的内禀角动量(即自转角动量)成正比例关系 。
早在爱因斯坦发表广义相对论两年后的1918年 ， 奥地利数学家Joseph Lense和Hans Thirring即根据理论做出预言 ， 在引力束缚作用下的两体系统中 ， 由于周围惯性参考系的拖曳会导致轨道运动平面的进动 ， 因此这种进动也叫做Lense-Thirring进动(LT进动) 。 简单点说 ， 进动就是转动运动中转轴围绕某一中心轴转动的现象 ， 在这里转动运动既可以是公转也可以是自转(值得注意的是 ， 英文中的Spin在物理学中一般翻译为自旋 ， 但是量子物理中的自旋和宏观物体的自转有本质的区别 ， 因此在这里我们称宏观物体的Spin叫做自转而非自旋 ， 自转的英文也可以是rotation) 。
生活中常见的进动现象之一是陀螺在转动时自转轴在重力矩作用下发生旋转(如下图所示) 。
「相对论」时空正被拖曳：广义相对论再添新证据
本文插图
时空拖拽为什么难观测到？
作为广义相对论理论预言的LT进动现象 ， 是惯性系拖曳的自然结果 。 因此 ， 这一现象的观测对于验证广义相对论 ， 有着重要的意义 。
同时 ， 惯性参考系拖曳也可以很好地解释吸积的黑洞发出的X射线谱 。 因为时空的拖曳会影响光子的传输和吸积盘的性质 ， 进而决定黑洞的自转 ， 因此 ， LT进动现象的观测对于研究黑洞也有重要的意义 。
但是 ， LT进动的观测却不是那么容易 。 首先 ， 在强力、电磁力、弱力和引力四种基本相互作用中 ， 最弱的是引力 ， 大概比电磁力弱40个数量级 ， 因此 ， 被观测系统的质量越大越好 。 其次 ， 由于时空拖曳的强度正比于质量物体的自转角动量 ， 因此 ， 质量物体的自转越快越好 。
事实上 ， 早在2004年4月20日 ， 美国宇航局(NASA)就执行了名为引力探针B(Gravity-Probe B)的计划 ， 向距离地球表面约642公里的极地轨道发射了一颗耗资7.6亿美元的空间实验卫星 ， 上面携带四个极高稳定性和极低温工作的陀螺仪 ， 其稳定性比当时最好的导航陀螺仪还高6个数量级 ， 任务是要以最高的精度验证广义相对论理论预言的两个效应：测地线效应和坐标系拖曳效应 。
测地线效应即地球的引力场对它周围时空的弯曲程度 ， 而坐标系拖曳效应就是Lense-Thirring惯性系拖曳 。
2004年8月份实验开始取数 ， 并持续取数一年 ， 最终实验结果发表在2011年6月3号的《物理快报评论》(Physical Review Letters)上 。 经过联合拟合之后 ， 坐标系拖曳的结果是37.2+-7.2milliarcseconds/year ， milliarcsecond是毫弧秒 ， 即1/3600000度 ， 这意味着陀螺仪绕地公转轨道平面的改变约为每年十万分之一度 。 但是由于该结果精度控制得不是很好 ， 对于坐标系拖曳结果的精度只达到了19% ， 远低于预期的1% 。


推荐阅读


上一篇： [社区]武汉将推广社区电子通行证！又传来了30个好消息

下一篇： 「图为北京」1996年中国老照片： 图4现在已经绝迹、图8是当时的有钱人