挑战爱因斯坦再一次失败，广义相对论地位更加巩固，证据来自宇宙

前几年的时候，科学家在宇宙中发现一个有趣的三体系统，或者说三合星系统。这个系统的中心，有一颗白矮星，同时有另一颗白矮星和一颗脉冲星（中子星）围绕它公转。

好，那么问题来了：围绕它公转的中子星和白矮星，谁的速度更快呢？

你可能想到：白矮星比中子星轻。我们知道，同样是一立方厘米的体积，白矮星的物质可以重达几吨，但中子星的物质则可以达到几亿吨，是白矮星的上亿倍。这样看来，处于同一个引力作用之下，白矮星的加速度应该比脉冲星更大，更容易获得高速度，所以白矮星更快。

恭喜你，答错了。

不过，那些认为答案是中子星的人也别太高兴，因为你们也没有答对。

从常识上来看，的确好像是白矮星会更快。但实际上，爱因斯坦的广义相对论中的强等效原理（strong equivalence principle，SEP）告诉我们：不管脉冲星比白矮星重多少，它们的速度都和质量无关。两颗天体围绕着同一颗天体公转，受到同样的引力作用，因此获得的速度是同样的。

你可能觉得这件事太过于离奇，但事实的确如此。当科学家们对这个三体系统进行观测的时候，结果也证明了爱因斯坦的理论。为了便于大家理解，我们有必要讨论一下，什么是强等效原理。

强等效原理，是广义相对论的基础。举个例子来说：如果一个人位于一个密闭系统里，并且这个密闭系统有一个加速度a，恰好和地球上的重力加速度g（9.8米每二次方秒）相等。那么对于这个人来说，他根本无法判断自己到底是在一个加速的密闭系统中还是在地球上。为什么呢？因为他不论是在这种密闭系统中还是在地球上，不论是做力学实验还是电磁学实验，都会得到完全相同的结果。

因此，虽然一个是看似静态的，另一个是动态的，但他的感受是一样的；虽然一个受到的是地球的重力，另一个受到的是密闭系统移动时产生的惯性力，但这样的力对系统中的物体产生的影响也是相同的。

说到这里，你会发现：两个系统能够等价的条件只有一个——加速度相同。也就是说，这与系统内的物体质量是没有关系的。因此，如果你在地球上在同一个高度同时放开一根羽毛和一个铅球，在没有空气阻力等其他力影响的情况下，羽毛和铅球会同时落地。你可能会说：这不就是伽利略在比萨斜塔做的实验吗！没错，虽然这个实验未必真实，但道理就是这样的。

拓展到宇宙中，道理也是一样的。在刚才我们提到的那个三体系统中，虽然中子星和白矮星的质量、密度都有着较大的差距，但是根据等效原理，处于同样一个引力场中的时候，它们的运动和质量本身无关，只与加速度有关。而这个加速度不是通过牛顿第二定律计算的加速度，而是类似于地球表面重力加速度一样，取决于中心天体的质量。

在此之前，这些还都只是推测。而这个三体系统的发现，让科学家终于找到了一个理想的实验室，来检验爱因斯坦的强等效原理。他们利用位于法国南赛（Nançay）观测站的射电望远镜，对这颗名为PSR J0337+1715的脉冲星进行了长达6年的持续观测，再一次验证了爱因斯坦的正确性。

曼彻斯特大学的Guillaume Voisin和他的团队最近对这个三体系统进行了观测，检验了强等效原理，并且将研究成果发表在了最近的《天文学与天体物理学》上。他指出：“中子星和白矮星提供了一个很理想的实验室，二者结合在一起产生的极度偏离的能量，使得我们可以利用射电脉冲星计时技术（radio pulsar timing）对强等效原理进行精确的检验。”

Voisin等人采取了反证法来检验强等效原理，他们尝试在这个系统中寻找可以推翻这个理论的证据。如果中子星和白矮星被观测到有速度的差异，那么将可以证明爱因斯坦和他的广义相对论是错误的。结果证明，他们没有找到任何可以推翻爱因斯坦的证据，这意味着爱因斯坦是正确的。

他们尝试了除相对论以外的所有引力原理、把质量和自转速度等因素全部考虑进来，然后进行计算，推测这个三体系统的下一步运行规律和位置，结果始终是错误的。结果很明显：从质量到密度，再到自转或者其他因素，都与两颗天体的运行法则无关，它们在相同的引力场中严格按照广义相对论的法则来运行。

Voisin指出：“我们得到的结果和广义相对论完全符合，这个限度（指的是实验的误差）极大程度上降低了强等效原理被违背的可能。在所有这些实验中，我们都无法检测到它被违反。在可观测的精度范围内，引力的表现和广义相对论的描述一致。我们认为，广义相对论是唯一说得通的理论，它完全体现了强等效原理的精髓。”

虽然广义相对论的提出已经过去100年了，但现在的科学家们仍在利用天文现象来对它进行检验；尽管爱因斯坦的相对论的地位已经无可撼动，但每次一证实其正确性都让我们对他肃然起敬。相对论到底是终极理论还是未来也将被修正，没有人知道。但至少在很长的一段时间里，它都将指导我们追求宇宙的真理，规范天体的运行。爱因斯坦，伟人也！