时空正被拖曳：广义相对论再添新证据

最近，著名的《科学》杂志发表了一篇关于在特殊脉冲双星系统中观察时空拖曳的文章，为广义相对论的建立增加了新的证据。

证明时空拖曳的存在对于广义相对论的验证非常重要。

1915年，爱因斯坦提出了广义相对论的引力方程。第二年，他总结并完成了广义相对论的基础，描述了重力和时空的关系。

在牛顿的经典力学理论体系中，时间和空间与物质无关，与物质的质量和运动无关，所以它们被称为绝对时空观。在绝对时间和空间中，两个有质量的物体通过引力作用，这就是所谓的万有引力。

在爱因斯坦的相对论体系中，时间和空间是统一的，并且与物质的质量和运动有关。在相对论时空中，有质量的物体通过重力场影响周围时空的几何结构，进而影响其他有质量的物体。重力场与质量物体的能量和动量密切相关。

相对论时空观彻底颠覆了绝对时空，这与人们的直觉感受相去甚远，因此人们很难理解和接受它。爱因斯坦提出广义相对论后，许多天文学家通过天文观测证实了广义相对论的猜想。

根据广义相对论，大质量天体的旋转会拖动惯性参考系或围绕它的时空，时空拖动的强度与天体的固有角动量(即旋转角动量)成正比。

早在1918年，也就是爱因斯坦发表广义相对论的两年后，奥地利数学家约瑟夫·透镜和汉斯·瑟林根据理论预测，在引力约束下的两体系统中，轨道运动平面的进动也称为透镜-瑟林进动(LT进动)，这是由于周围惯性参考系的拖曳。简而言之，进动是旋转轴在旋转运动中绕某一中心轴旋转的现象。旋转运动在这里可以是旋转或旋转(值得注意的是，自旋在英语中通常被翻译成自旋在物理学中，但是自旋在量子物理学中本质上不同于宏对象的旋转，所以我们在这里称之为宏对象的旋转而不是旋转，旋转在英语中也可以是旋转)。

生活中常见的进动现象之一是当陀螺旋转时，转轴在大扭矩的作用下旋转(如下图所示)。

陀螺仪的进动(照片来源:参考1)

陀螺仪的进动(照片来源:参考1)

为什么很难观察时空阻力？

广义相对论预言的LT进动现象是惯性系统拖曳的自然结果。因此，观察这一现象对广义相对论的验证具有重要意义。

同时，惯性参考系的阻力也能很好地解释增生黑洞发出的X射线光谱。由于时间和空间的阻力会影响光子的传输和吸积盘的性质，从而决定黑洞的旋转，因此观察LT进动现象对黑洞的研究也具有重要意义。

然而，观察光速进动并不容易。首先，在强力、电磁力、弱力和重力的四种基本相互作用中，最弱的是重力，它比电磁力弱大约40个数量级。因此，被观察系统的质量越大越好。其次，由于时空阻力的强度与质量物体的旋转角动量成正比，所以质量物体的旋转越快越好。

事实上，早在2004年4月20日，美国国家航空航天局就实施了一项名为B(重力探测器B)的计划，将一颗价值7.6亿美元的太空实验卫星发射到距离地球表面约642公里的极地轨道上，搭载四个在极高稳定性和极低温度下运行的陀螺仪。它的稳定性比当时最好的导航陀螺仪高6个数量级。它的任务是以最高的精度验证广义相对论预测的两种效应:测地线效应和坐标拖曳效应。

测地线效应是指地球引力场对周围时空的弯曲程度，而坐标系拖曳效应是指透镜三重惯性拖曳效应。

实验从2004年8月开始检索数据，持续了一年。最终结果发表在2011年6月3日的《物理评论快报》上。联合拟合后，坐标系拖动的结果为37.2±7.2毫秒/年，毫秒为毫秒，即1/3600000度，这意味着陀螺绕地球轨道平面的变化约为每年1/100000度。但是，由于结果的精度没有得到很好的控制，坐标系拖动结果的精度只有19%，远远低于预期的1%。

重力探测器b测试测地线效应和坐标系拖动效应(照片来源:PRL文章)

罕见的双星系统为验证时空阻力创造了条件。

在计划近地实验时，科学家们将目光瞄准了遥远的星空。浩瀚的宇宙是一个天然的引力实验室，那里一定有最好的实验对象，物理学家发现了脉冲星。

脉冲星是快速旋转的中子星，旋转时会发出规则的脉冲信号。信号的周期通常只有几秒钟或更短(地球的旋转周期约为24小时)。

脉冲星最早是由英国物理学家在1967年发现的，他们的发现是20世纪最伟大的天文发现之一。第一个脉冲双星系统是1974年发现的PSR B1913+16。脉冲双星系统由一颗脉冲星和另一颗伴星组成。它的质量差不多。伴星也是致密星，可以是中子星或其他恒星，如白矮星。

脉冲双星是测试广义相对论的极好的自然引力系统。

与重力探测器方案b中地球惯性系统的拖曳相比，由于脉冲双星中恒星的质量更大、旋转更快，以及惯性系统的拖曳效应更明显，约为地球效应的1亿倍，因此LT进动也更明显、更容易观察。

一种想法是通过观察数据来得到系统的能量损失，看它是否与广义相对论预测的引力波辐射相一致。对多脉冲二进制系统的研究表明，它们具有很好的一致性。

另一个想法是观察透镜的进动。因为脉冲星发出的脉冲信号可以被非常精确地测量，而且信号非常稳定，所以有可能长时间连续观测脉冲星而不丢失它们的信息。这种方法叫做脉冲星计时。脉冲星计时为科学家提供了脉冲星旋转和其他天体参数的精确测量。

PSR J1146545脉冲双星系统意境图

(照片来源:科学美国人)

1999年，斯温伯恩科技大学的研究人员通过巴夏礼64米射电望远镜发现了PSR J1146545，它位于离地球10000光年的南十字方向。该系统由一个旋转周期为394毫秒、旋转周期为4.74小时的脉冲星组成。它的直径约为20公里，相当于地球上一个中小型城市的大小。它的伴星是一颗稍微小一点的白矮星，大约和地球一样大。

这种中子星-白矮星脉冲双星系统并不少见。一般来说，在恒星对的演化中，主星先演化成脉冲星，次星随后演化成白矮星。然而，脉冲二进制PSR J1146545的形成过程是非常特殊和极其罕见的。白矮星的形成早于中子星。目前，另一个类似的系统被称为脉冲二进制PSR B2303+46。

在恒星对演化过程中，质量较大的一级恒星首先退化为白矮星，因此白矮星的年龄较长。另一颗质量较小的次星不断吸收其物质，并在围绕大质量主星旋转时达到形成中子星的质量条件。最终，次星在超新星爆炸后形成中子星，因此中子星的质量将高于白矮星。在次星超新星爆发之前，第一颗出生的白矮星不断吸收膨胀的次星溢出的气体物质，并加速旋转。由于这种特殊的形成过程，年轻的中子星不会吸收白矮星的物质，也不会影响它们出生后的自转。因此，这些系统中的脉冲星在很大程度上保留了出生初期的磁场特征，这有助于根据脉冲时序研究系统的时空几何。

脉冲双星PSR J1146545一经发现，立即引起了研究者的极大兴趣。自2000年以来，他们使用巴夏礼和极限射电望远镜连续跟踪和记录脉冲时间，希望获得关于脉冲双星系统的轨道和旋转的信息。虽然在脉冲双星系统中，惯性系统的阻力效应大约是地球惯性系统的1亿倍，但它仍然很弱，而且最初没有被探测到。直到2015年，PSR J1146545的脉冲计时显示系统的轨道参数略有“漂移”。研究人员考虑了各种可能的相对论因素，但无法解释实验数据。他们特别兴奋。如果数据或分析没有错，那一定是新物理学的发现超越了广义相对论。三个词“新物理学”对现代物理学家有着非凡的吸引力。无论是超越标准模型的新物理学，还是超越广义相对论的新物理学，都意味着几十年甚至几百年前制定的伟大规则将被改写。然而，当它们采取LT进动时，即轨道平面的轴是旋转的而不是固定的，数据被很好地解释，并且轨道轴进动的幅度大约是1.7弧秒/年。

双中子星轨道几何示意图(照片来源:参考文献7)

尽管新物理学的排除使研究人员有些沮丧，但这可能是第一次在中强引力场背景下观察到透镜三重时空拖曳效应。

为什么可能？

因为其他因素也会导致微弱的轨道偏移，下一个问题需要证明这颗罕见的双星的诞生过程是否真实。丹麦奥尔胡斯大学的研究人员用计算机对这个脉冲二元系统进行了7000万次复杂的数值模拟。结果表明了这个特殊系统存在的合理性和广义相对论的正确性。研究结果最终发表在2020年1月31日的《科学》杂志上。

结论

100多年前广义相对论对时空拖曳效应的预测，在100多年后，借助于10，000光年外的双中子星系统的透镜-第三环进动，终于被地球上的科学家所证实。这不仅是广义相对论奖牌表上的又一枚奖牌，也为脉冲双星系统开辟了一个新的研究领域。

研究人员表示，类似的脉冲计时方法也可用于研究含有两颗中子星的脉冲双星系统，这对研究广义相对论效应、准确测量中子星内部结构以及研究宇宙的起源和演化具有重要意义。

目前，广义相对论的检验已经进入了一个高精度的时代。精确测量不仅是物理理论或常数的小数位数的变化，而且意味着可能会有新的物理学。魔鬼藏在细节里！

自然和自然法则隐藏在黑暗中。上帝说，“让牛顿诞生吧！”，世界是一片光明。魔鬼说，“让爱因斯坦出生吧！”，一切又回到了黑暗中。一百多年后，爱因斯坦显然已经取代牛顿成为上帝的儿子。那么，魔鬼会指定谁出生呢？

参考:

1.李，，等，医学影像设备介绍，详细信息？知识Id=2314605

2.科学美国人:

http://www . scientific American . com/article/special-cosmic-dance-offers-fresh-test-for-general-相对论/

3.2020年今日物理学:

http://physicstoday . scitation . org/do/10.1063/PT . 6 . 1 . 20200203 a/full/

4.物理评论信:

http://journals . APS . org/PRL/abstract/10.1103/PhysRevlett . 106.221101

5.2011年今日物理学:

https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.1150

6.斯普林格书籍:

赫伯特-普斯特，马库斯-金。惯性和引力:时空的基本性质和结构，斯普林格(2015)

7.科学原创:https://science.sciencemag.org/content/367/6477/577

作者:崔尔良(西北农林大学)