用三体来检测弦理论

难以检测的弦理论

许多科学家和科学爱好者喜欢探讨弦理论，因为它以“万物理论”名声在外，它可以把宇宙中所有的4种力，即引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力，统一起来，这也就是说弦理论把两个最为成功的但彼此不相容的两个理论――广义相对论和量子力学――结合了起来。弦理论的基本假设是认为宇宙中所有的物质和能量都是由一种一维的弦构成的，不过这种弦非常非常小，大约是氢原子的10?18分之一，所以说直接检测这种弦十分困难。而且验证弦理论需要极高的能量，所需要的粒子加速器的能量是找到希格斯粒子（上帝粒子）的能量的上百万倍，很显然我们目前的技术根本无法触及那么高的能量去检测弦理论。

虽然弦理论可解释“万物”，而且其数学公式看起来很完美，但是看上去再好的理论也必须经过检测才能说是真正好的理论。面对着很多的质疑，科学家在不停地寻找着如何有效检测弦理论的方法。

等效原理

最近来自美国陶森大学的科学家们找到了一种检测弦理论最靠谱的方法，而这个方法的灵感来自与过去伽利略和牛顿所做检测引力的实验。

我们首先介绍一下一个重要的基础理论――等效原理，等效原理是说在相同的引力场中的不同物体的加速度都是相同的。根据牛顿力学，也可以表述成物体的惯性质量等于它的引力质量。等效原理另一种表述方式，就是在局部的区域内，由加速度所产生的惯性力（即在紧急刹车时你所感受到的力）与由物体所产生的引力无法区分。

等效原理十分重要，因为它是广义相对论的基础之一。

这种物理现象也就是当初伽利略和牛顿所做实验探测到的结果。传说16世纪伽利略曾在比萨斜塔做过自由落体实验，他把两个不同重量的球体从相同的高度同时扔下，结果两个球体同时落地，这意味不同质量的物体都受到同样的重力加速度。多年之后，牛顿意识到这种现象在宇宙中一些地方也有所体现，他曾通过天文望远镜观测木星和围绕着它的四个大型卫星（统称为“伽利略卫星”）的运动情况，发现它们以同样的加速度围绕太阳运动。

而令人惊奇的是，弦理论却是违背等效原理的，因为弦理论下的相同的引力场作用在不同成分的物体上产生的加速度是不同的，这也同样意味着惯性质量与引力质量不相等。这样不同成分的物体，例如铝块和铁块，从比萨斜塔下落的加速度是不同的，这都归功于弦理论下的某种能量的不同。不过这种差别极其细微，需要找到巨大的物体系统才能观测到，所以观测天体就是一个最好的选择。

各种检测方案

美国陶森大学的这些科学家提出了三种在天体系统中检测等效原理是否正确的方法，第一种是检测开普勒第三定律的偏差，第二种是检测拉格朗日点的飘移，第三种是检测诺特维特效应，也就是说如果等效原理不成立的话，地球和月球将会以不同的加速度围绕太阳转，这样地球和月球之间距离会有额外的变化。虽然目前的天文观测都没有观测到任何违反等效原理的现象，但是任何的科学观测都存在一定的实验误差，而这些科学家就希望能观测到超过其实验误差的反常现象，也许这些反常就能证明弦理论的预言是正确的。

之前，这些科学家们认为观测土星的土卫三和土卫四是一个比较不错的观测对象，因为土卫三几乎都是由冰构成的，而土卫四内部有相当多的硅酸盐岩石，也就是说这两个卫星成分差别很大，观测它们是否以同样的加速度围绕太阳即可验证弦理论。不过现在，有了一个更加完美的观测对象，这个系统是一个三个互相围绕的天体构成的三体系统。

完美的试验场

“三体”这个名词被津津乐道的原因在于，科幻作家刘慈欣以这个名词命名了他所写的广受欢迎的科幻系列小说，小说《三体》主要是说一种生活在三个恒星下的外行星生命入侵地球的故事。不过下面要提到的三体系统不是三个恒星构成的系统，而是两个白矮星和一个脉冲星所构成的系统。

白矮星和脉冲星都是恒星“死亡”之后留下的残骸，体积小密度大，称为“致密天体”。白矮星是低质量恒星演化后的最终产物，它内部不再有核聚变发生。我们的太阳会在50亿年之后变成白矮星。而脉冲星是一种中子星，中子星是大质量恒星经过超新星爆发之后的产物，中子星引力如此强，使得每个原子的电子被压到原子核里面，使得质子变成中子，这样整个天体就由中子构成了。中子星体积很小，自转很快，而且磁场很强，无线电波等各种电磁辐射只能沿着磁轴方向辐射出去。如果磁轴和自转轴不重合，电磁辐射像灯塔一样周期性地扫过周围空间，在地球上会观测到一闪一闪的脉冲信号，所以称这样的中子星为脉冲星。另外脉冲星所产生的脉冲信号的周期极其稳定，稳定度超过了目前的原子钟。

鉴于脉冲星信号极高的稳定性，所以可以通过观测其信号变化推测出周围在与什么样的天体互相围绕。根据这个原理，天文学家利用美国格林班克射电望远镜发现了这个离我们大约为4200光年的三体系统，其中脉冲星有1.4个太阳质量，自转速度是每秒366圈，与一个离它比较近的有0.2个太阳质量的白矮星互相围绕，围绕一周需要1.6天。而另一个处在远处的有0.4个太阳质量的白矮星又与它俩互相围绕，围绕一周需要327天。这种完全由致密天体构成的三体系统十分罕见，天文学家估计我们的银河系拥有这样的三体系统不会超过100个，所以说发现这种三体系统十分难得。

前面说过观测脉冲星信号即可方便地推出它的运动情况，所以过去通过观测宇宙中常见的脉冲星和其他某个天体组成的双星系统，去检测等效原理是否成立，也就是观测这两个天体围绕银河系中心时是否有同样的加速度，但是银河系中心对这个双星系统产生的引力很微弱，所以观测固然不会很精确。而现在这个完全由致密天体构成的三体系统就是一个完美检验等效原理和弦理论的“实验场所”，也就是观测脉冲星和白矮星是否以同样加速度与另一个白矮星围绕，只要高精度地观测脉冲星信号就可以了。

目前，科学家们正在严密仔细地观测这三个天体的运动情况，以找出其中的规律。

总之，对比在极高能量条件下去检验弦理论，观测天体的运动情况不仅切实可行，而且也会省下大量的科研经费。另外需要注意的是，如果发现等效原理不成立，而且弦理论的预测与等效原理的偏差不相符，这就意味着得需要其他的理论对其给出合理的解释。