10.18 愛因斯坦預言再一次證實:無質量的引力子介導物質間的引力

引力是現代物理學中最熟悉的基本力,但在宇宙四種基本力中,引力是最神秘的力,至今為止,還沒有研究明白引力實質是什麼?許多物理科學家一直在鍥而不捨的研究它,希望找到引力最終本質,然後事實宇宙四種力的大統一。科學家們的努力得到了回報,最近的一次測量證實了一個難以捉摸、難以測量的引力特徵。

愛因斯坦預言再一次證實:無質量的引力子介導物質間的引力

阿爾伯特·愛因斯坦是我們現代引力理論的建築師,拓展了人們對引力認識

在17世紀後期,艾薩克·牛頓爵士發表了第一個複雜的引力理論,並在20世紀初由阿爾伯特·愛因斯坦修訂,愛因斯坦意識到,當我們經歷引力實際上是空間和時間彎曲的結果。在精確技術壯舉中,牛頓的理論被驗證,如精確地將"新地平線"號探測器射向冥王星,在53億公里的旅程後擊中幾十公里寬的目標。愛因斯坦的理論經歷了更令人印象深刻的驗證,包括觀察兩個超精密時鐘在地球表面運行的差異,如觀察兩個超精密時鐘在地球表面運行時的差異,一個放在地表,一個時鐘放置在離地面一英尺的地方。

然而,愛因斯坦非常成功的理論在應用於亞原子領域時失敗了——它使無法進行預測。因此,物理學家普遍認為,需要一種新的量子理論來正確理解引力。而且,如果這種理論存在,它必須包括一個稱為引力子的亞原子粒子,它介導引力的作用。

愛因斯坦預言再一次證實:無質量的引力子介導物質間的引力

  • 上圖:耶路撒冷 - 2010年3月9日,在以色列科學與人文學院,阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論首次完整展出。愛因斯坦在1925年耶路撒冷希伯來大學成立時,將他的開創性理論的46頁手寫手稿全部捐贈給耶路撒冷希伯來大學。

引力子還沒有被發現,但是,為了使引力作用於被觀察到的物體中,也就是使兩個物體之間的引力減弱為一個物體之間距離的平方,引力子必須具有一些性質。它必須是無質量的,並且必須以光速行進。它是最近通過精確測量太陽系中物體的位置和運動來測試的引力子的質量。

來自法國一些大學和天文臺的研究人員假設引力子有一個非零質量,然後使用巴黎天文臺行星數據庫(inpop)的數據來查看允許的質量。巴黎天文臺行星數據庫(inpop)是一個行星星曆錶,通過非常精確地確定太陽系中物體的位置來調整,包括對包括地球/月球距離和環繞火星和水星的探測器的測量。

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  • 圖:法國巴黎天文臺,1740年。天文學家使用望遠鏡觀測夜空中的物體,包括土星和月球。巴黎天文臺於1671年開放,由意大利出生的法國天文學家讓·多米尼克·卡西尼(1625-1712)擔任第一任臺長。

如果引力子有質量,這將改變由於距離而由引力引起的力的變化方式。結論很明確,如果引力子有質量,它必須小於約7×10^(-23)ev,這是不可思議的小,大約是電子質量萬億分之一的萬分之一,電子質量是我們所熟悉的亞原子粒子中最輕的,也是質量被可靠測量過的最輕的粒子。

因此,這種測量結果與質量為零、以光速運動的引力子非常一致。這一測量結果也與2017年兩顆中子星合併的光波和引力波到達時間的測量結果一致。這兩顆中子星距離地球約1.3億光年,到達時間相差僅1.7秒。簡而言之,這意味著引力以接近光速的速度傳播,但它可以擴展到對引力子質量的限制。如果引力子有質量,引力波就會在觀測到光脈衝之後到達。

愛因斯坦預言再一次證實:無質量的引力子介導物質間的引力

  • 圖:恆星殘餘物的質量是用許多不同的方法測量的。這張圖顯示了通過電磁觀測(紫色)探測到的黑洞質量;通過引力波觀測(藍色)測量到的黑洞質量;通過電磁觀測(黃色)測量到的中子星質量;在稱為GW170817的事件中兩顆中子星合併,在引力波(橙色)中檢測到。GW170817 的殘餘物未分類,並標記為問號。

對引力子質量的兩次測量,兩顆中子星的合併和最近一次使用巴黎天文臺行星數據庫(inpop)數據的測量,都給出了相似的極限。這實際上只是一個巧合,因為兩個結果都使用截然不同的技術實現的,並且應用在完全不同的距離上。但是兩個測量都證實了引力子,如果它們存在,必須是幾乎無質量,或者很可能是完全無質量,這就是愛因斯坦的預言。

愛因斯坦預言再一次證實:無質量的引力子介導物質間的引力

科學家能夠如此精確地進行測量,這一事實真實地證明了現代科學的技術水平。值得注意的是,科學家們不斷測試他們的假設,並試圖打破過去著名科學家發明的模型。無質量引力子的預言已經被證實,這意味著愛因斯坦的預言又一次得到證實。


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