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最近一篇关于在特殊的双脉冲星系统中观测到时空论拖曳现象的文章发表在著名的《科学》(Science)杂志仩,广义相对论的成立再添新证据
证明时空论拖曳存在,对验证广义相对论非常重要
1915年爱因斯坦提出了广义相对论的引力方程,次年總结完成了《广义相对论基础》描述了引力和时空论的关系。
在牛顿经典力学理论体系中时间和空间都是独立于物质的,与物质的质量和运动无关因此被称为是绝对时空论观。绝对时空论中两个拥有质量的物体通过引力发生作用,这就是著名的万有引力
而在爱因斯坦相对论体系中,时间和空间是统一的且与物质的质量和运动有关。相对论时空论中带有质量的物体通过引力场影响其周围时空论嘚几何结构,进而影响到其他带有质量的物体而引力场与质量物体的能量和动量密切相关。
相对论性的时空论观彻底颠覆了绝对时空论与人的直观感受相去甚远,因此很难被人们理解和接受在爱因斯坦提出广义相对论后,不少天文学家通过天文观测来验证广义相对论嘚猜想
根据广义相对论,一个大质量天体的自转会对其周围的惯性参考系或者说时空论造成拖曳,时空论拖曳的强度与天体的内禀角動量(即自转角动量)成正比例关系
早在爱因斯坦发表广义相对论两年后的1918年,奥地利数学家Joseph Lense和Hans Thirring即根据理论做出预言在引力束缚作用下的兩体系统中,由于周围惯性参考系的拖曳会导致轨道运动平面的进动因此这种进动也叫做Lense-Thirring进动(LT进动)。简单点说进动就是转动运动中转軸围绕某一中心轴转动的现象,在这里转动运动既可以是公转也可以是自转(值得注意的是英文中的Spin在物理学中一般翻译为自旋,但是量孓物理中的自旋和宏观物体的自转有本质的区别因此在这里我们称宏观物体的Spin叫做自转而非自旋,自转的英文也可以是rotation)
生活中常见的進动现象之一是陀螺在转动时自转轴在重力矩作用下发生旋转(如下图所示)。
陀螺的进动 (图片来源:参考文献1)
时空论拖拽为什么难观测到
作为广义相对论理论预言的LT进动现象,是惯性系拖曳的自然结果因此,这一现象的观测对于验证广义相对论有着重要的意义。
同时惯性参考系拖曳也可以很好地解释吸积的黑洞发出的X射线谱。因为时空论的拖曳会影响光子的传输和吸积盘的性质进而决定黑洞的自轉,因此LT进动现象的观测对于研究黑洞也有重要的意义。
但是LT进动的观测却不是那么容易。首先在强力、电磁力、弱力和引力四种基本相互作用中,最弱的是引力大概比电磁力弱40个数量级,因此被观测系统的质量越大越好。其次由于时空论拖曳的强度正比于质量物体的自转角动量,因此质量物体的自转越快越好。
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