金牛座三星系統或推翻廣義相對論？

假設你是一名天文學家，對宇宙的隱藏法則有著種種精彩設想。於是就像任何出色的科學家一樣，你設計了一項實驗來驗證自己的猜想。

但壞消息是，你無法通過計算機模擬之外的方法開展這項實驗。因為我們不可能像對待亞原子粒子一樣，在培養皿中培養宇宙天體、或將它們攪和在一起。還好，大自然也在開展自己的實驗。2012年首次發現、2014年正式揭曉的三星系統PSR J0337+1715就是這樣一個例子。該系統位於金牛座星系中，距地球約4200光年。

在這個三星系統中，三顆死去的恆星星核如同跳芭蕾般繞著彼此旋轉。它們或許將證實（或改寫）愛因斯坦提出的時空理論。上世紀70年代，一個雙星系統曾為我們提供了強有力的間接證據，為廣義相對論和引力波提供了支持。而LIGO已證實引力波確實存在。參與這項研究的科學家們最終獲得了諾貝爾獎。而自從宣布發現三星系統以來，科學家對他們的進展一直秘而不宣。

刺眼的光芒

要把PSR J0337+1715看成一項實驗，最好將它的存在具象化。在距該系統中心約為一個日地距離的地方，有一顆冰冷的白矮星。它是一顆類似太陽的恆星遺留下的堅硬星核。再往裡去，則是一顆溫度較高的白矮星。美國弗吉尼亞國立射電天文台的天文學家、負責此次觀測任務的斯科特·蘭森（Scott Ransom）指出，這顆白矮星在夜空中發出「刺眼的光芒」。

靠內的白矮星每過1.6天便圍繞伴星轉動一圈。裸眼看不見這顆伴星，但在X射線和伽馬射線圖像上，兩顆白矮星都比其伴星微弱得多。這顆伴星直徑24公里，質量竟足有太陽的1.5倍。

這顆伴星其實是脈衝星，是一顆較大恆星留下的遺骸。它每2.73毫秒便旋轉一圈，就像一位瘋狂的舞者。每次旋轉都像燈塔一樣、將射電波在宇宙中橫掃一圈。地球也在其掃射範圍內，因此無數年來、它的每次旋轉都在地球上留下了一道印記，如同一座極準的鐘錶。再加之這幾顆天體的引力場十分密集、相互纏繞，用來測驗愛因斯坦的理論再合適不過。

蘭森的團隊一直在給這顆脈衝星計時、追蹤三顆天體的軌道變化、並將結果與愛因斯坦的理論預測進行比較。如今，一項假說正在逐漸成型。

在伽利略的比薩斜塔實驗中，兩個質量不同的物體落地時間完全相同；而在月球上，宇航員戴維·斯科特（David Scott）也用一片羽毛和一根鎚子取得了相同的結果。

廣義相對論中的強等效原理正是該現象的延伸。該原理認為，物體引力場再強、遇到引力時的表現也應完全相同。就像羽毛和鎚子一樣，內側白矮星和重得多的脈衝星應對外側白矮星的引力有著相似反應。否則內側兩顆天體的軌道就會更偏橢圓形，而這就違背了強等效性原理，廣義相對論也就無法成立。這聽上去頗為聳人聽聞。但為此震驚是遲早的事，因為廣義相對論很難和其它自然理論和諧兼容，早已引發了人們的質疑。「除廣義相對論之外的其它引力理論都預測強等效性原理會在某種尺度下失效。」蘭森指出。

在今年九月即將於英國舉行的脈衝星大會上，蘭森的團隊希望能宣布最新研究結果。此次研究由博士後安妮·阿奇博爾德（Anne Archibald）帶領。他們將以更高的精確度、對等效性原理進行測試。但蘭森指出，他們目前還沒有這麼做，因為還需進一步分析看似違背了等效性原理的數據規律。

「這件事意義非凡，所以我們必須確定自己對數據的理解準確無誤。」蘭森表示。到目前為止，計算機仍在對數據進行分析。有人問他：「等論文發表之後，大家會不會嚇一大跳呢？」「大多數人認為，強等效性原理並不會在這些尺度下失效。」蘭森解釋道，「因此我們必須竭盡全力、從各角度進行驗證。」

也許PSR J0337+1715系統是宇宙所做的一次完美實驗。在這個實驗中，廣義相對論徹底失效，而不是僅僅從等式和模擬的層面站不住腳。具體如何，我們還當拭目以待。（葉子）

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