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爱因斯坦预言再一次证实:无质量的引力子介导物质间的引力

引力是现代物理学中最熟悉的基本力,但在宇宙四种基本力中,引力是最神秘的力,至今为止,还没有研究明白引力实质是什么?许多物理科学家一直在锲而不舍的研究它,希望找到引力最终本质,然后事实宇宙四种力的大统一。科学家们的努力得到了回报,最近的一次测量证实了一个难以捉摸、难以测量的引力特征。

阿尔伯特·爱因斯坦是我们现代引力理论的建筑师,拓展了人们对引力认识

在17世纪后期,艾萨克·牛顿爵士发表了第一个复杂的引力理论,并在20世纪初由阿尔伯特·爱因斯坦修订,爱因斯坦意识到,当我们经历引力实际上是空间和时间弯曲的结果。在精确技术壮举中,牛顿的理论被验证,如精确地将"新地平线"号探测器射向冥王星,在53亿公里的旅程后击中几十公里宽的目标。爱因斯坦的理论经历了更令人印象深刻的验证,包括观察两个超精密时钟在地球表面运行的差异,如观察两个超精密时钟在地球表面运行时的差异,一个放在地表,一个时钟放置在离地面一英尺的地方。

然而,爱因斯坦非常成功的理论在应用于亚原子领域时失败了——它使无法进行预测。因此,物理学家普遍认为,需要一种新的量子理论来正确理解引力。而且,如果这种理论存在,它必须包括一个称为引力子的亚原子粒子,它介导引力的作用。

  • 上图:耶路撒冷 - 2010年3月9日,在以色列科学与人文学院,阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论首次完整展出。爱因斯坦在1925年耶路撒冷希伯来大学成立时,将他的开创性理论的46页手写手稿全部捐赠给耶路撒冷希伯来大学。

引力子还没有被发现,但是,为了使引力作用于被观察到的物体中,也就是使两个物体之间的引力减弱为一个物体之间距离的平方,引力子必须具有一些性质。它必须是无质量的,并且必须以光速行进。它是最近通过精确测量太阳系中物体的位置和运动来测试的引力子的质量。

来自法国一些大学和天文台的研究人员假设引力子有一个非零质量,然后使用巴黎天文台行星数据库(inpop)的数据来查看允许的质量。巴黎天文台行星数据库(inpop)是一个行星星历表,通过非常精确地确定太阳系中物体的位置来调整,包括对包括地球/月球距离和环绕火星和水星的探测器的测量。

  • 图:法国巴黎天文台,1740年。天文学家使用望远镜观测夜空中的物体,包括土星和月球。巴黎天文台于1671年开放,由意大利出生的法国天文学家让·多米尼克·卡西尼(1625-1712)担任第一任台长。

如果引力子有质量,这将改变由于距离而由引力引起的力的变化方式。结论很明确,如果引力子有质量,它必须小于约7×10^(-23)ev,这是不可思议的小,大约是电子质量万亿分之一的万分之一,电子质量是我们所熟悉的亚原子粒子中最轻的,也是质量被可靠测量过的最轻的粒子。

因此,这种测量结果与质量为零、以光速运动的引力子非常一致。这一测量结果也与2017年两颗中子星合并的光波和引力波到达时间的测量结果一致。这两颗中子星距离地球约1.3亿光年,到达时间相差仅1.7秒。简而言之,这意味着引力以接近光速的速度传播,但它可以扩展到对引力子质量的限制。如果引力子有质量,引力波就会在观测到光脉冲之后到达。

  • 图:恒星残余物的质量是用许多不同的方法测量的。这张图显示了通过电磁观测(紫色)探测到的黑洞质量;通过引力波观测(蓝色)测量到的黑洞质量;通过电磁观测(黄色)测量到的中子星质量;在称为GW170817的事件中两颗中子星合并,在引力波(橙色)中检测到。GW170817 的残余物未分类,并标记为问号。

对引力子质量的两次测量,两颗中子星的合并和最近一次使用巴黎天文台行星数据库(inpop)数据的测量,都给出了相似的极限。这实际上只是一个巧合,因为两个结果都使用截然不同的技术实现的,并且应用在完全不同的距离上。但是两个测量都证实了引力子,如果它们存在,必须是几乎无质量,或者很可能是完全无质量,这就是爱因斯坦的预言。

科学家能够如此精确地进行测量,这一事实真实地证明了现代科学的技术水平。值得注意的是,科学家们不断测试他们的假设,并试图打破过去著名科学家发明的模型。无质量引力子的预言已经被证实,这意味着爱因斯坦的预言又一次得到证实。

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