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科学家利用引力波信号对爱因斯坦弱等效原理进行高精度检验

科学家利用引力波信号对爱因斯坦弱等效原理进行高精度检验

  211日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)科学合作组织正式宣布人类第一次直接探测到了引力波,自此引力波研究宇宙的窗口被正式打开。这一成果具有划时代的意义,必将对整个天文学领域乃至基础物理领域带来革命性的影响。全世界的物理学家和天文学家已经开始利用这个全新的窗口来研究宇宙。

  物理学期刊《物理评论D》(Physical Review D)于729日正式发表了中国科学院紫金山天文台研究员吴雪峰所带领的高能时域天文团组及其合作者关于爱因斯坦弱等效原理的最新检验结果(Wu, Gao, Wei, Mészáros, Zhang, Dai, Zhang, & Zhu, 2016, Phys.Rev.D, 94, 024061)。该项研究利用引力波信号精确验证了爱因斯坦广义相对论中的弱等效原理假设。此项工幸运28作合作者包括北京师范大学副教授高鹤和教授朱宗宏、中科院紫金山天文台博士魏俊杰、美国宾夕法尼亚州立大学教授Peter Meszaros、内华达大学拉斯维加斯分校教授Bing Zhang、南京大学教授戴子高以及中科院高能物理研究所教授张双南。

  等效原理是爱因斯坦广义相对论和其它引力理论的重要基石。爱因斯坦等效原理预言,无静止质量或静止质量可以忽略的中性粒子在引力场中传播,穿越的时间和没有引力场情况是不同的,该效应也被称为Shapiro延迟。等效原理可以通过对比河外暂现源同时释放的不同能量光子(或者不同种类的粒子)在通过同一个引力场所用的时间差来检验,即比较不同能量光子(或者不同种类的粒子)在银河系引力场中传播对应的后牛顿参数γ值(单位质量引起的空间弯曲)的差别是否为零。目前对爱因斯坦弱等效原理的检验主要是基于不同能量光子的观测时间延迟,人们迫切需要借助不同观测渠道获得的不同粒子来检验弱等效原理的精确度,包括引力波。升级之后的LIGO/VIRGO对引力波的探测无疑将为研究人员提供检验弱等效原理的最佳候选体,并且把对爱因斯坦等效原理的高精度检验扩展到了引力子。考虑升级之后的LIGO/VIRGO的探测能力和引力波事件源的方位不确定度,吴雪峰等人指出引力波及其电磁对应体信号的联合探测有望把后牛顿参数γ的差值上限限制到10-10量级,见下图。这一结果比之前相关限制(都是利用银河系引力势)至少提高了1个量级,而且比超新星1987A的多信使(光子和中微子)检验结果提高了7个量级,从而进一步证明了爱因斯坦等效原理假设的正确性。《物理评论》的审稿人对这一工作给予了高度评价

  英国《新科学家》New Scientist218Daily News 中以Four big cosmology secrets gravitational waves could uncover(《引力波能揭开的宇宙学4大谜团》)为题把等效原理作为宇宙学4大谜团之一,并在新闻中引用吴雪峰所提到的GPS和太空航行时代,引力理论预言的哪怕几分钟的误差,都会造成重大后果。它(等效原理)极其重要。

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引力幸运28波信号及其各种电磁对应体的光子对弱等效原理(后牛顿参数γ值差异)的检验结果