愛因斯坦還是對的

愛因斯坦還是對的
知識通訊評論第45期

愛因斯坦的廣義相對論，在極端的重力場內仍然成立。

愛因斯坦的廣義相對論通過了迄今最嚴峻的考驗。除了黑洞以外，宇宙間密度最高的物體當屬中子星；科學家藉由觀察一對中子星，得以對強烈重力場扭曲無線電波的情形，做出到目前為止最為精確的測量。測量結果讓預測愛因斯坦方程式會在質量密度極高的情況下失效的理論，更加站不住腳。

愛因斯坦的廣義相對論說，重力源自時空彎曲。他發展出一系列比 E=mc2 更複雜，但不那麼有名的方程式，來描述時空彎曲的情況。

這些方程式預測像中子星之類，質量約是太陽的兩倍，但直徑僅有數十公里的星體，會如何的扭曲附近的空間；同時也預測說，當這些星體彼此繞行時，所製造出來向外擴散的重力波會扭曲時空，其結果是這些星體會彼此靠近。

由英國曼徹斯特大學的克拉默 (Michael Kramer) 領導的一組天文物理學家，為了驗證這些想法，測量中子星的重力場如何增加無線電波抵達地球所需的時間，以及這些星體彼此間如何運行。測量結果顯示，廣義相對論方程式起碼精確到兩萬分之一（百分之零點零五），打破五百分之一（百分之零點二）的舊紀錄。研究結果已發表於二○○六年九月十五日的《科學》雜誌。

完美的脈衝星

他們研究的 PSR J0737-3039A/B 星系，是第一個已知由兩個脈動的中子星（又稱脈衝星）組成的雙星系統。

脈衝星很適合用來測試廣義相對論。它們的重力場強度是太陽的十萬倍，所發出的無線電波又非常規律，很容易測量到任何扭曲現象；克拉默說它們就像是宇宙馬錶。加上它們的直徑只有二十公里長，可以把它們想成是宇宙中的一個點，而不用當成三度空間的球體，這可以使方程式好解許多。

廣義相對論過去曾經在雙星系統的強烈重力場下驗證，但這次所用的星系，是發現到的第一個兩顆星體都是脈衝星的星系，這可讓測量更加可靠。

美國密蘇里州聖路易市華盛頓大學的物理學家威爾 (Clifford Will) 表示，發現這個星系之後，他們很快就知道這是測試廣義相對論的絕佳實驗室，能夠看到第一筆精確度高的測量結果出爐很棒。

廣義失效

廣義相對論在太陽系裡測試的結果，可以達到百分之零點零零二的精確度，但是這是在溫和重力場裡做出來的結果。有些理論物理學家認為，廣義相對論會在極端的情況下失效。

克拉默表示，他們知道廣義相對論會在量子力學的極小尺度下失效，現在所做的測試，則是要看它是否會在極大尺度下失效。

最受歡迎的廣義相對論替代品，涉及所謂的「張量–純量」 (tensor-scalar)作用場。如果這種作用場確實存在，物理定律就會產生怪異的結果：動量不再守恆，牛頓的重力常數也會隨時空改變。

廣義相對論在脈衝雙星的情況下能成立結果，並不必然會使其他人打消支持其他不同理論的念頭。有可能是相對論只會在更極端的情況下崩解，或是脫離常軌的量微不足道而已。

克拉默表示，宇宙裡還有更極端的地方，可供測試相對性。他說他們想要觀測具有更強烈重力場的星系，比方說繞行黑洞的脈衝星。

其他研究者也在試圖維護愛因斯坦的理論。他們希望地面的探測器能夠很快確認重力波所在，至於太空裡的探測器，會在六到七年後開始運作。克拉默表示，這些探測器的測量結果，可以補足這項研究的不足之處。