5时空弯曲的天文学依据

5、时空弯曲的天文学依据对于广义相对论，Einstein在实验证据不足的情况下是十分自信的,他曾这样说过：“当1919年日蚀证明了我的推测时，我一点也不惊奇。要是这件事没有发生，我倒会非常惊讶。”爱因斯坦预言：遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。现代天文学观测到：在两张重叠的底片上可以清晰地看到一条笔直的星光在穿过阴影中的太阳时，竟然发生了偏转，偏转角是1.7秒。Einstein在1916年写了一本通俗介绍相对认的书《狭义相对论与广义相对论浅说》，到1922年已经再版了40次，还被译成了十几种文字，广为流传。以后,每逢日全食都进行了观测，但由于种种不确定的因素,光学测量精度的提高受到了限制。1973年，光学测量所得偏转角同理论值之比为0.95±0.11。60年代末，由于射电天文学的发展，使人们有可能用高于光学观测的精度来测量太阳引起的射电信号的偏折。这类观测所得偏转角同理论值之比在1975年已达到约1±0.01。有人早已通过测量人造卫星中悬浮陀螺的进动，来验证广义相对论。70年代初，又有人通过测量对遥远行星的雷达回波的方式检验了广义相对论。70年代末，几家大天文台同时报道采用射电天文学的方法测量某些类星体发出的射电信号经过太阳的弯曲程度，大大提高了检验光线偏折的精度，对广义相对论提供了新的实验支持。意大利和美国的两位物理学家最近发现了一对人造地球卫星的“Einstein弯曲效应”。1974年9月由麻省理工学院的泰勒和他的学生赫尔斯，用305米口径的大型射电望远镜进行观测时，发现了脉冲双星，它是一个中子星和它的伴星在引力作用下相互绕行，周期只有0.323天，它的表面的引力比太阳表面强十万倍，是地球上甚至太阳系内不可能获得的检验引力理论的实验室。经过长达十余年的观测，他们得到了与广义相对论的预言符合得非常好的结果。由于这一重大贡献，泰勒和赫尔斯获得了1993年诺贝尔物理奖。根据Einstein广义相对论的预言，地球会弯曲周围的时间和空间，因此使地球卫星的轨道发生微妙的变化。两位物理学家通过对人造卫星上亿个位点数据的仔细研究，最终发现这种极细微的效应。据意大利莱切大学的库夫里尼(IgnazioCiufolini)和美国航空航天局戈达德航天中心的帕乌里斯(ErricosPavlis)介绍，他们的数据分析有10%的误差，但已足以证实Einstein的地心引力理论(Einstein将地心引力解释为一种时空弯曲效应)。此次实验涉及的两颗卫星(名叫LAGEOS和LAGEOS2)并未装载什么仪器，外形呈球状，表面覆盖许多小的反射镜。利用这些反射镜对激光束的反射能够非常精准地测定卫星的位点数据。两位物理学家在《自然》杂志上发表了相关文章，他们还表示，希望应用新的“重力探测B”卫星可将误差减少到1%左右。这种卫星通过装载的陀螺仪来探测时空弯曲效应。近几年来，由于空间探测技术的发展，使人们对广义相对论的验证又取得了新的进展。1997年11月初，在美国天文学会于科罗拉多洲埃斯特帕克举行的会议上，科学家们宣布，他们所发现的证据证实了Einstein广义相对论作出的一个奇妙的预言。两个天文学家小组观测到这样的显示信号，即致密天体，例如中子星，由于它们的自转能吸引附近的空间与时间围绕它们一同转动。这种现象被称作“框架拖曳”。加州理工学院天体物理学家基普·索恩说，这是对Einstein思想的一个极其重要的检验。除了对引力波的直接探测外，框架拖曳也许是最重要的一种效应了。Einstein曾表明，任何一个自转着的天体，由于它的转动，都会拖曳空间与时间。不过，效应是如此微弱，以致仅当空间与时间能靠近一个具有强大引力场的天体，例如中子星或黑洞时，它才能被观测到。当有一颗恒星围绕这样的致密天体运行时，天体的强大引力可以将物质从恒星上吸引出来，并使物质形成一个以天体为中心的不断扩展着的圆盘。当圆盘上的物质不断地向着天体增加时，物质会变热井辐射出X射线。如果撇开广义相对论，你可以预言，以致密天体为中心向外看，则圆盘在所有方向均会保持相同的形状，但是框架拖曳改变了这一情景，它导致圆盘上物质运行的轨道围绕着天体的自转轴并以轴为中心发生脉动。由马萨诸塞理工学院崔伟领导的小组通过观测若干围绕某些可能的黑洞旋转着的圆盘的运动情况而寻找到这一效应。由意大利罗马天文台路易吉·斯特拉领导的另一小组通过对15颗中子星的观测，也取得了相同的结果。两个小组均利用美国航空与航天局发射的罗西X射线同步辐射卫星对圆盘辐射出的X射线强度作了测量。两个小组的观测表明，圆盘辐射出的X射线亮度的变化以某种方式暗示，每个圆盘确实在脉动着。“你可以看到X射线辐射区域面积的变化”，崔说“脉动程度与预言相一致。这里有着某种效应，它对我们产生了极大的刺激”，斯坦福大学物理学家引力探测B计划——通过放置在轨道上的陀螺仪，卫星将能探测到拖曳效应——实施者弗朗西斯·埃弗特说。“不过，上述两个小组的观测，还没有得到定量的结果”，他说，埃弗特希望引力探测B计划能够揭示效应的强度。科罗拉多大学米奇·别格斯利曼认为，进一步的观测是必要的。“要使明智的学者们毫不怀疑地相信它是困难的，这里要求对准圆盘或它转动时发出的闪光”，他说，“不过，如果效应得到确认，那么，它将是一个极其重要的发现。”光线在不均匀引力场中（特别是在大质量物体附近）的传播方向因其受引力作用而改变。这种效应已经被很多天文观测所证实。另外，如果在发光的天体与地球之间存在强大的引力源，光线偏折效应可以产生该天体的“像”，那么我们看到的不再是一个天体而是两个（或两个以上）相似的天体（“引力海市蜃楼”）；这种强大的引力源被称为引力透镜。第一个引力透镜现象是在1979年发现的。1988年发现有四个类星体的“引力海市蜃楼”，后来还找到了包含更多像的“引力海市蜃楼”。由于星系的空间区域大，星系的像会呈弧形或圆环。至今已经观察到了很多“引力海市蜃楼”事例。附录：1、[路透社华盛顿2004年10月21日电]Einstein又一次被证明是正确的。美国航天局今天说，由各国科学家和大学研究人员组成的研究小组首次发现了地球自转时拖曳周围时空的直接证据。美国航天局说，这一发现首次直接测出并证明Einstein广义相对论的一个重要方面——一个旋转的天体能使组成三维空间以及第四维时间的“结构”发生偏转和扭曲。美国航天局物理学家迈克尔·萨拉蒙说：“地球在旋传时确实在拖曳时空。离地球越近，扭曲的幅度就越大。”“时空的这种扭曲，也称框架拖曳，以前从未直接观测到过。”“这是首次找到真实、有力和直接的证据，说明旋转天体能拖曳时空。”美国航天局的佩里科斯·帕夫利斯等人在观察了绕地球旋转的两颗卫星后发现，它们的确随着地球拖曳空间发生了偏转。帕夫利斯说：“我们以毫米的精确度测量了地球与卫星之间的距离。”他们的研究结果刊登在《自然》杂志上。两颗激光地动卫星LAGEOSⅠ和LAGEOSⅡ的外部都覆盖有反射罩，这样就比较容易从地面进行跟踪和测量。它们的蝶形轨道是为了模仿旋转回转仪的运动。Einstein的理论认为，附近一个喜旋转的天体——比如地球——会拖曳空间，使得回转仪轻微偏离轴线。帕夫利斯说，还没有证据证明没有其他力作用于卫星，不过这种情况的可能性不大。他说：“那必须是一种灵巧的、恰好与广义相对论相似的力。”“我们已经排除了已知的所有的力——如潮汐等等，还有引力模型的误差。”帕夫利斯将这种作用比喻成在蜜罐子里搅动的勺子。“与其类似，当地球旋转时，它会拖动周围的时空，这就会改变绕地运行的卫星轨道。”萨拉蒙说，以前也有过框架拖曳的间接证据，但这是首次直接测量的结果。今年四月，美国航天局发射了携带有4个回转仪的“引力探测器B”。科学家说，等明年它的探测结果出来后，就能用更高的精确度证明Einstein的理论。美国科学家10月21日表示，稍稍脱离轨道的卫星显示，地球自转时的确在扭曲时空构造。他们称，这是首次直接测量到并证实了Einstein广义相对论的一个重要层面-旋转天体会使由三维(度)空间和四维时间构成的时空结构产生扭曲。图为奋进号太空梭2002年6月15日在地球上空飞行的资料照。2、经过45年酝酿和开发，耗资7．5亿美元的美国“引力探测器Ｂ”卫星，2005年20日下午从加利福尼亚州范登堡空军基地成功升空，这项美国宇航局历史上耗时最长的探测计划的使命，是以前所未有的精度对Einstein1916年提出的广义相对论进行验证。“引力探测器Ｂ”将对广义相对论的两项重要预测“短程线效应”和“惯性系拖曳效应”进行验证，主要采用4个超高精度的回转仪，来测量地球自身质量以及自转给回转仪所处时空造成的弯曲和扭曲效应。卫星将主要在距离地球约640公里的极地轨道上运转，其探测预计将持续一年半左右。在探测开始时，4个回转仪自转轴和卫星上的一台望远镜的方向同时对准一颗遥远恒星。按照理论假设，随着时间推移，回转仪自转轴会因地球的“短程线效应”和“惯性系拖曳效应”而分别发生偏移。通过测量偏移情况，就可以“看到”地球对其周围时空到底产生了什么样的影响。这种影响将是非常细微的。科学家们说，回转仪自转轴偏转的角度之小，就好比是从400米之外去看人的一根头发丝。3、最新时空观测结果证实爱因斯坦相对论合理性NASA费米空间望远镜观测到的剧烈爆炸据美国太空网报道，美国航天局“费米伽马射线空间望远镜”在一年来的观测中，发现了最新的高能光线，从而证明了爱因斯坦关于光速理论的正确性。费米空间望远镜是去年才发射升空的最新天文望远镜，致力于探寻宇宙中最剧烈的大爆炸所产生的伽马射线。最新的发现令科学家能够看到实验室中无法复制的高能光线的作用，从而能帮助科学家更清晰地研究爱因斯坦的相对论。“爱因斯坦在其相对论中提出了万有引力观念，但有些物理学家总喜欢用其他力的来源取而代之。”加州帕罗奥多斯坦福大学科学家、费米广域望远镜(LAT)首席观测师皮特-迈克逊说：“人们有各种各样的想法，但缺乏途径来进行验证。”爱因斯坦相对论是正确的许多试图证明万有引力理论的努力都将时空关系描绘成一种飘忽不定的空洞结构，在物理层级上比电子还要微小数万亿倍。这样的模型打破了爱因斯坦的假设，即所有的电磁辐射——无线电波、红外线、可见光、X-射线和伽马射线在通过真空时速度是相同的，即都是以光速运行。2009年5月10日，费米望远镜和其他探测卫星观测到一次所谓的“短伽马射线爆发”，被命名为“GRB090510”(GRB:美国地球物理研究委员会)。天文学家认为这种爆炸发生在中子星相撞时。进一步研究表明爆炸发生在73亿光年外的星系中。费米广域望远镜观测到了2.1秒的剧烈爆炸，放射出很多伽马射线量子，形成两股巨大能量流，其中一股比另一股高出近一百万倍。经过70多亿光年的旅行，它们之间的速度仅有0.9秒的差别。“此次研究结果排除了任何关于万有引力理论的新观点，即有人认为超高能量会导致光速发生变化。”迈克逊说：“在十亿亿分之一内，两股量子的速度都是一致的。爱因斯坦的相对论是正确无误的！”创造新的记录费米望远镜的次级装置伽马射线监视器在超过250次的爆炸中发现了低能量伽马射线。广域望远镜则观测到12次的高能爆炸，其中三次还创下了新的记录。上文提到的GRB090510是观测到的最远爆炸，释放出的物质以光速的99.99995%运行。9月份观测到的GRB090902B是放射出的伽马射线能量最高的爆炸，释放出相当于334亿伏特的电量，是可见光能量的130亿倍！去年观测到的GRB080916C释放出的总能量最多，相当于诞生了9000个超新星！前景无限广域望远镜每三小时会扫描整个天空一次，并为费米天文台的科学家提供越来越详尽的资料，帮助他们不断探索深度宇宙的奥秘。“我们已经发现了一千多个持续的伽马射线源——比以前知道的高出了5倍。”美国航天局戈达德太空飞行中心科学家朱莉-麦克恩雷说：“我们还利用其它射线与其中的近半数进行了信息互动。”耀变体是一种遥远的星系，其巨大的黑洞会向我们释放出高速物质流。人们普遍认为已知超过500个的耀变体是伽马射线的主要来源。在银河系内，伽马射线源包括46个脉冲星和两个双子星系