5、時空彎曲的天文學(xué)依據(jù)匯總

5、時空彎曲的天文學(xué)依據(jù)對于廣義相對論，Einstein在實驗證據(jù)不足的情況下是十分自信的，他曾這樣說過：“當(dāng)1919年日蝕證明了我的推測時，我一點也不驚奇。要是這件事沒有發(fā)生，我倒會非常驚訝?！睈垡蛩固诡A(yù)言：遙遠的星光如果掠過太陽表面將會發(fā)生一點七秒的偏轉(zhuǎn)。現(xiàn)代天文學(xué)觀測到：在兩張重疊的底片上可以清晰地看到一條筆直的星光在穿過陰影中的太陽時,竟然發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角是1.7秒。Einstein在1916年寫了一本通俗介紹相對認的書《狹義相對論與廣義相對論淺說》到1922年已經(jīng)再版了40次，還被譯成了十幾種文字，廣為流傳。以后，每逢日全食都進行了觀測，但由于種種不確定的因素光學(xué)測量精度的提高受到了限制。1973年，光學(xué)測量所得偏轉(zhuǎn)角同理論值之比為0.95±0.11。60年代末，由于射電天文學(xué)的發(fā)展，使人們有可能用高于光學(xué)觀測的精度來測量太陽引起的射電信號的偏折。這類觀測所得偏轉(zhuǎn)角同理論值之比在1975年已達到約1±0.01。有人早已通過測量人造衛(wèi)星中懸浮陀螺的進動，來驗證廣義相對論。70年代初，又有人通過測量對遙遠行星的雷達回波的方式檢驗了廣義相對論。70年代末，幾家大天文臺同時報道采用射電天文學(xué)的方法測量某些類星體發(fā)出的射電信號經(jīng)過太陽的彎曲程度，大大提高了檢驗光線偏折的精度，對廣義相對論提供了新的實驗支持。意大利和美國的兩位物理學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)了一對人造地球衛(wèi)星的“Einstein彎曲效應(yīng)”。1974年9月由麻省理工學(xué)院的泰勒和他的學(xué)生赫爾斯，用305米口徑的大型射電望遠鏡進行觀測時，發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星，它是一個中子星和它的伴星在引力作用下相互繞行，周期只有0.323天，它的表面的引力比太陽表面強十萬倍，是地球上甚至太陽系內(nèi)不可能獲得的檢驗引力理論的實驗室。經(jīng)過長達十余年的觀測,他們得到了與廣義相對論的預(yù)言符合得非常好的結(jié)果。由于這一重大貢獻，泰勒和赫爾斯獲得了1993年諾貝爾物理獎。根據(jù)Einstein廣義相對論的預(yù)言，地球會彎曲周圍的時間和空間，因此使地球衛(wèi)星的軌道發(fā)生微妙的變化。兩位物理學(xué)家通過對人造衛(wèi)星上億個位點數(shù)據(jù)的仔細研究，最終發(fā)現(xiàn)這種極細微的效應(yīng)。據(jù)意大利萊切大學(xué)的庫夫里尼(IgnazioCiufolini)和美國航空航天局戈達德航天中心的帕烏里斯(ErricosPavlis)介紹，他們的數(shù)據(jù)分析有10%的誤差，但已足以證實Einstein的地心引力理論(Einstein將地心引力解釋為一種時空彎曲效應(yīng))。此次實驗涉及的兩顆衛(wèi)星(名叫LAGEOS和LAGE0S2)并未裝載什么儀器，外形呈球狀，表面覆蓋許多小的反射鏡。利用這些反射鏡對激光束的反射能夠非常精準地測定衛(wèi)星的位點數(shù)據(jù)。兩位物理學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)表了相關(guān)文章，他們還表示，希望應(yīng)用新的“重力探測B”衛(wèi)星可將誤差減少到1%左右。這種衛(wèi)星通過裝載的陀螺儀來探測時空彎曲效應(yīng)。近幾年來,由于空間探測技術(shù)的發(fā)展，使人們對廣義相對論的驗證又取得了新的進展d997年11月初，在美國天文學(xué)會于科羅拉多洲埃斯特帕克舉行的會議上，科學(xué)家們宣布，他們所發(fā)現(xiàn)的證據(jù)證實了Einstein廣義相對論作出的一個奇妙的預(yù)言。兩個天文學(xué)家小組觀測到這樣的顯示信號，即致密天體，例如中子星，由于它們的自轉(zhuǎn)能吸引附近的空間與時間圍繞它們一同轉(zhuǎn)動。這種現(xiàn)象被稱作“框架拖曳”。加州理工學(xué)院天體物理學(xué)家基普?索恩說，這是對Einstein思想的一個極其重要的檢驗。除了對引力波的直接探測外，框架拖曳也許是最重要的一種效應(yīng)了。Einstein曾表明，任何一個自轉(zhuǎn)著的天體，由于它的轉(zhuǎn)動，都會拖曳空間與時間。不過，效應(yīng)是如此微弱，以致僅當(dāng)空間與時間能靠近一個具有強大引力場的天體，例如中子星或黑洞時，它才能被觀測到。當(dāng)有一顆恒星圍繞這樣的致密天體運行時，天體的強大引力可以將物質(zhì)從恒星上吸引出來，并使物質(zhì)形成一個以天體為中心的不斷擴展著的圓盤。當(dāng)圓盤上的物質(zhì)不斷地向著天體增加時，物質(zhì)會變熱井輻射出X射線。如果撇開廣義相對論，你可以預(yù)言，以致密天體為中心向外看，則圓盤在所有方向均會保持相同的形狀，但是框架拖曳改變了這一情景，它導(dǎo)致圓盤上物質(zhì)運行的軌道圍繞著天體的自轉(zhuǎn)軸并以軸為中心發(fā)生脈動。由馬薩諸塞理工學(xué)院崔偉領(lǐng)導(dǎo)的小組通過觀測若干圍繞某些可能的黑洞旋轉(zhuǎn)著的圓盤的運動情況而尋找到這一效應(yīng)。由意大利羅馬天文臺路易吉?斯特拉領(lǐng)導(dǎo)的另一小組通過對15顆中子星的觀測，也取得了相同的結(jié)果。兩個小組均利用美國航空與航天局發(fā)射的羅西X射線同步輻射衛(wèi)星對圓盤輻射出的X射線強度作了測量。兩個小組的觀測表明，圓盤輻射出的X射線亮度的變化以某種方式暗示，每個圓盤確實在脈動著?！澳憧梢钥吹絏射線輻射區(qū)域面積的變化”，崔說“脈動程度與預(yù)言相一致。這里有著某種效應(yīng)，它對我們產(chǎn)生了極大的刺激”，斯坦福大學(xué)物理學(xué)家引力探測B計劃一一通過放置在軌道上的陀螺儀，衛(wèi)星將能探測到拖曳效應(yīng)一一實施者弗朗西斯?埃弗特說?！安贿^，上述兩個小組的觀測，還沒有得到定量的結(jié)果”，他說，埃弗特希望引力探測B計劃能夠揭示效應(yīng)的強度?？屏_拉多大學(xué)米奇?別格斯利曼認為，進一步的觀測是必要的?！耙姑髦堑膶W(xué)者們毫不懷疑地相信它是困難的，這里要求對準圓盤或它轉(zhuǎn)動時發(fā)出的閃光”，他說，“不過，如果效應(yīng)得到確認，那么，它將是一個極其重要的發(fā)現(xiàn)?！惫饩€在不均勻引力場中（特別是在大質(zhì)量物體附近）的傳播方向因其受引力作用而改變。這種效應(yīng)已經(jīng)被很多天文觀測所證實。另外，如果在發(fā)光的天體與地球之間存在強大的引力源，光線偏折效應(yīng)可以產(chǎn)生該天體的“像”，那么我們看到的不再是一個天體而是兩個（或兩個以上）相似的天體（“引力海市蜃樓”）；這種強大的引力源被稱為引力透鏡。第一個引力透鏡現(xiàn)象是在1979年發(fā)現(xiàn)的。1988年發(fā)現(xiàn)有四個類星體的“引力海市蜃樓”后來還找到了包含更多像的“引力海市蜃樓”由于星系的空間區(qū)域大，星系的像會呈弧形或圓環(huán)。至今已經(jīng)觀察到了很多“引力海市蜃樓”事例。附錄：1、［路透社華盛頓2004年10月21日電］Einstein又一次被證明是正確的。美國航天局今天說，由各國科學(xué)家和大學(xué)研究人員組成的研究小組首次發(fā)現(xiàn)了地球自轉(zhuǎn)時拖曳周圍時空的直接證據(jù)。美國航天局說，這一發(fā)現(xiàn)首次直接測出并證明Einstein廣義相對論的一個重要方面一一一個旋轉(zhuǎn)的天體能使組成三維空間以及第四維時間的“結(jié)構(gòu)”發(fā)生偏轉(zhuǎn)和扭曲。美國航天局物理學(xué)家邁克爾?薩拉蒙說：“地球在旋傳時確實在拖曳時空。離地球越近，扭曲的幅度就越大?！薄皶r空的這種扭曲，也稱框架拖曳，以前從未直接觀測到過?！薄斑@是首次找到真實、有力和直接的證據(jù)，說明旋轉(zhuǎn)天體能拖曳時空。”美國航天局的佩里科斯?帕夫利斯等人在觀察了繞地球旋轉(zhuǎn)的兩顆衛(wèi)星后發(fā)現(xiàn)，它們的確隨著地球拖曳空間發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。帕夫利斯說：“我們以毫米的精確度測量了地球與衛(wèi)星之間的距離?！彼麄兊难芯拷Y(jié)果刊登在《自然》雜志上。兩顆激光地動衛(wèi)星LAGE0SI和LAGE0SII的外部都覆蓋有反射罩，這樣就比較容易從地面進行跟蹤和測量。它們的蝶形軌道是為了模仿旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)儀的運動。Einstein的理論認為，附近一個喜旋轉(zhuǎn)的天體――比如地球一一會拖曳空間，使得回轉(zhuǎn)儀輕微偏離軸線。帕夫利斯說，還沒有證據(jù)證明沒有其他力作用于衛(wèi)星，不過這種情況的可能性不大。他說：“那必須是一種靈巧的、恰好與廣義相對論相似的力?！薄拔覀円呀?jīng)排除了已知的所有的力一一如潮汐等等，還有引力模型的誤差?！迸练蚶箤⑦@種作用比喻成在蜜罐子里攪動的勺子?！芭c其類似，當(dāng)?shù)厍蛐D(zhuǎn)時，它會拖動周圍的時空，這就會改變繞地運行的衛(wèi)星軌道?！彼_拉蒙說，以前也有過框架拖曳的間接證據(jù)，但這是首次直接測量的結(jié)果。今年四月，美國航天局發(fā)射了攜帶有4個回轉(zhuǎn)儀的“引力探測器B”?？茖W(xué)家說，等明年它的探測結(jié)果出來后，就能用更高的精確度證明Einstein的理論。美國科學(xué)家10月21日表示，稍稍脫離軌道的衛(wèi)星顯示，地球自轉(zhuǎn)時的確在扭曲時空構(gòu)造。他們稱，這是首次直接測量到并證實了Einstein廣義相對論的一個重要層面-旋轉(zhuǎn)天體會使由三維（度）空間和四維時間構(gòu)成的時空結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭曲。圖為奮進號太空梭2002年6月15日在地球上空飛行的資料照。2、經(jīng)過45年醞釀和開發(fā)，耗資7.5億美元的美國“引力探測器衛(wèi)星，2005年20日下午從加利福尼亞州范登堡空軍基地成功升空，這項美國宇航局歷史上耗時最長的探測計劃的使命，是以前所未有的精度對Einstein1916年提出的廣義相對論進行驗證?！耙μ綔y器將對廣義相對論的兩項重要預(yù)測“短程線效應(yīng)”和“慣性系拖曳效應(yīng)”進行驗證，主要采用4個超高精度的回轉(zhuǎn)儀，來測量地球自身質(zhì)量以及自轉(zhuǎn)給回轉(zhuǎn)儀所處時空造成的彎曲和扭曲效應(yīng)。衛(wèi)星將主要在距離地球約640公里的極地軌道上運轉(zhuǎn)，其探測預(yù)計將持續(xù)一年半左右。在探測開始時，4個回轉(zhuǎn)儀自轉(zhuǎn)軸和衛(wèi)星上的一臺望遠鏡的方向同時對準一顆遙遠恒星。按照理論假設(shè)，隨著時間推移，回轉(zhuǎn)儀自轉(zhuǎn)軸會因地球的“短程線效應(yīng)”和“慣性系拖曳效應(yīng)”而分別發(fā)生偏移。通過測量偏移情況，就可以“看到”地球?qū)ζ渲車鷷r空到底產(chǎn)生了什么樣的影響。這種影響將是非常細微的?？茖W(xué)家們說，回轉(zhuǎn)儀自轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)的角度之小，就好比是從400米之外去看人的一根頭發(fā)絲。3、最新時空觀測結(jié)果證實愛因斯坦相對論合理性NASA費米空間望遠鏡觀測到的劇烈爆炸據(jù)美國太空網(wǎng)報道，美國航天局“費米伽馬射線空間望遠鏡”在一年來的觀測中，發(fā)現(xiàn)了最新的高能光線，從而證明了愛因斯坦關(guān)于光速理論的正確性。費米空間望遠鏡是去年才發(fā)射升空的最新天文望遠鏡，致力于探尋宇宙中最劇烈的大爆炸所產(chǎn)生的伽馬射線。最新的發(fā)現(xiàn)令科學(xué)家能夠看到實驗室中無法復(fù)制的高能光線的作用，從而能幫助科學(xué)家更清晰地研究愛因斯坦的相對論?！皭垡蛩固乖谄湎鄬φ撝刑岢隽巳f有引力觀念，但有些物理學(xué)家總喜歡用其他力的來源取而代之。”加州帕羅奧多斯坦福大學(xué)科學(xué)家、費米廣域望遠鏡(LAT)首席觀測師皮特-邁克遜說：“人們有各種各樣的想法，但缺乏途徑來進行驗證。”愛因斯坦相對論是正確的許多試圖證明萬有引力理論的努力都將時空關(guān)系描繪成一種飄忽不定的空洞結(jié)構(gòu)，在物理層級上比電子還要微小數(shù)萬億倍。這樣的模型打破了愛因斯坦的假設(shè)，即所有的電磁輻射一一無線電波、紅外線、可見光、X-射線和伽馬射線在通過真空時速度是相同的，即都是以光速運行。2009年5月10日，費米望遠鏡和其他探測衛(wèi)星觀測到一次所謂的“短伽馬射線爆發(fā)”，被命名為“GRB090510”(GRB:美國地球物理研究委員會)。天文學(xué)家認為這種爆炸發(fā)生在中子星相撞時。進一步研究表明爆炸發(fā)生在73億光年外的星系中。費米廣域望遠鏡觀測到了2.1秒的劇烈爆炸，放射出很多伽馬射線量子，形成兩股巨大能量流，其中一股比另一股高出近一百萬倍。經(jīng)過70多億光年的旅行，它們之間的速度僅有0.9秒的差別。“此次研究結(jié)果排除了任何關(guān)于萬有引力理論的新觀點，即有人認為超高能量會導(dǎo)致光速發(fā)生變化?！边~克遜說：“在十億億分之一內(nèi)，兩股量子的速度都是一致的。愛因斯坦的相對論是正確無誤的！”創(chuàng)造新的記錄費米望遠鏡的次級裝置伽馬射線監(jiān)視器在超過250次的爆炸中發(fā)現(xiàn)了低能量伽馬射線。廣域望遠鏡則觀測到12次的高能爆炸，其中三次還創(chuàng)下了新的記錄。上文提到的GRB090510是觀測到的最遠爆炸，釋放出的物質(zhì)以光速的99.99995%運行。9月份觀測到的GRB090902B是放射出的伽馬射線能量最高的爆炸，釋放出相當(dāng)于334億伏特的電量，是可見光能量的130億倍！去年觀測到的GRB080916C釋放出的總能量最多，相當(dāng)于誕生了9000個超新星！前景無限廣域望遠鏡每三小時會掃描整個天空一次，并為費米天文臺的科學(xué)家提供越來越詳盡的資料，幫助他們不斷探索深度宇宙的奧秘?！拔覀円呀?jīng)發(fā)現(xiàn)了一千多個持續(xù)的伽馬射線源一一比以前知道的高出了5倍。”美國航天局戈達德太空飛行中心科學(xué)家朱莉-麥克恩雷說：“我們還利用其它射線與其中的近半數(shù)進行了信息互動?！币凅w是一種遙遠的星系，其巨大的黑洞會向我們釋放出高速物質(zhì)流。人們普遍認為已知超過500個的耀變體是伽馬射線的主要來源。在銀河系內(nèi)，伽馬射線源包括46個脈沖星和兩個雙子星系。在雙子星系中，一顆中子星正圍繞一顆炙熱的新星高速運行。4、中子星附近發(fā)生時空扭曲新浪科技訊北京時間2007年8月28日消息，據(jù)國外媒體報道，美國的科學(xué)家們近日稱，他們最近在中子星附近成功地觀測到了時空扭曲現(xiàn)象，這再次證明了Einstein時空扭曲理論的正確性。美國宇航局和密歇根大學(xué)的天文學(xué)家們稱，在中子星周圍觀測到一些鐵氣體的線形拖尾，證明的確存在時空扭曲，并稱可以據(jù)此推算出天體的大小限度。美國宇航局戈達德太空飛行中心和馬里蘭大學(xué)的研究小組成員蘇蒂普■巴塔查耶表示，由于科學(xué)家們曾在黑洞甚至地球周圍觀測到過同樣的扭曲，因此次此發(fā)現(xiàn)并非驚人之事，然而它對于解答物理學(xué)的基本問題意義重大。巴塔查耶說：“這屬于基礎(chǔ)物理學(xué)范疇，在中子星中心可能存在著各種奇異的粒子或物態(tài)，如夸克物質(zhì)，由于我們無法在實驗室進行模擬實驗，因此找出答案的唯一方法就是去了解中子星。”中子星是一種密度極高的恒星，它相當(dāng)于把有比太陽還重的物質(zhì)壓進一顆城市大小的球體中，幾茶杯中子星物質(zhì)的重量就可以超過珠穆朗瑪峰。天文學(xué)家們用這些碎裂的中子星作為天然實驗室，研究物質(zhì)是如何在極端的自然界壓力中被緊密擠壓的。然而，在開始著手解開隱藏在這些衰減中子星之下的謎之前，科學(xué)家們必須非常精準地測量出它們的直徑和質(zhì)量。在目前進行的兩項研究中，天文學(xué)家們使用了歐洲太空總署的XMM-牛頓X射線天文臺和日本/美國宇航局的朱雀X射線天文臺，對3對雙中子星進行了觀察測量，它們分別是巨蛇座X-1，GX349+2和4U1820-30?？茖W(xué)家們還研究了炙熱的鐵原子發(fā)出的光譜線，這些鐵原子在中子星表面上方急速旋轉(zhuǎn)形成圓盤狀，旋轉(zhuǎn)速度高達40%光速。通常來說，測量到的過熱的鐵原子光譜線應(yīng)有均勻?qū)ΨQ的峰值。然而，天文學(xué)家們的測量結(jié)果卻顯示出了歪斜的峰值，這意味著出現(xiàn)了相對論效應(yīng)的扭曲。他們認為，氣體的飛速運動（和相對強大的地心引力）導(dǎo)致了光譜線的扭曲，形成更長波長的拖尾。同時，這些測量工作使得科學(xué)家們可以判定恒星的最大尺寸。密歇根大學(xué)的XMM牛頓研究小組成員愛德華-卡克特說：“我們看到鐵氣體就在中子星表面外部飛速旋轉(zhuǎn)，由于該圓盤內(nèi)部顯然不可能比中子星表面繞行更緊密，因此這些測量使我們可以確定中子星直徑的最大尺寸。根據(jù)我們估算，中子星直徑最大不過20.5英里（33公里）?！盓instein提出的廣義相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的奠基石，其要義是兩個物體間之所以存在引力，是因為重力場使四維時空發(fā)生扭曲。1919年發(fā)生日食時的觀測結(jié)果證實太陽的重力使星光彎曲。1976年，美國宇航局的重力探測A計劃，把一個原子鐘送入離地1萬公里的太空中，證實了Einstein提出的重力會使時間慢下來的推測。理論上說，可以通過監(jiān)視繞地球運行的一個陀螺儀的轉(zhuǎn)軸位置來驗證時空扭曲的發(fā)生。在確定了參考星座后，如果發(fā)生時空扭曲，那么陀螺儀的轉(zhuǎn)軸和參考星座的方向關(guān)系就會發(fā)生改變。根據(jù)牛頓力學(xué)原理，一個陀螺儀和一個參考星座方向?qū)R后，如果沒有外力干擾，就會始終保持對齊。但是根據(jù)Einstein理論，由于地球自轉(zhuǎn)和重力場引起的時空扭曲會造成陀螺儀和參考星座的相對方向發(fā)生改變。在8月1日出版的《天體物理通訊雜志》上，已經(jīng)發(fā)表了XMM牛頓研究小組的論文，其它相關(guān)論文也將在該雜志上陸續(xù)發(fā)表。5、7000光年外雙星系統(tǒng)再次驗證愛因斯坦相對論藝術(shù)示意圖：脈沖星PSRJ0348+0432和它的伴星——一顆白矮星，它們強大的引力場造成時空彎曲新浪科技訊北京時間2013年5月3日消息，中子星是一類具備極端密度的奇異星球，然而對于PSRJ0348+0432而言，高密度還并非其最奇特的特征。這顆星球的直徑僅有約13英里(約合21公里)，但其質(zhì)量卻和兩個太陽質(zhì)量相當(dāng)，每秒自轉(zhuǎn)25圈，在此過程中發(fā)出穩(wěn)定的無線電波脈沖信號。另外，它還有一顆伴星，一顆白矮星，其自轉(zhuǎn)速度也不慢：每分鐘144圈。搞清楚這里的實際狀況花費了很大一番功夫,但是當(dāng)天文學(xué)家們終于意識到這里的情形之時，他們很快就有了一個想法：在這樣極端的引力場環(huán)境下，這樣兩顆天體是理想的實驗對象，它們是否會像愛因斯坦在廣義相對論中所預(yù)言的那樣，按照一個可以通過相對論計算出來的特定速率相互靠攏？又或許這種極端情形根本就不再適用于引力理論而需要套用量子論的觀點來進行理解？德國馬克斯?普朗克射電天文研究所的約翰?安東尼亞蒂斯(JohnAntoniadis)表示：“目前有很多描述物質(zhì)在這種極端環(huán)境下行為