虽然脉冲星在宇宙中非常常见,但已知的脉冲双星却只有一个,它们在空中相互环绕在一起。2004年,射电天文学家观察到了这颗脉冲双星,对其进一步的观察检验了爱因斯坦的理论,这是迄今为止对该理论最精确的检验。
脉冲双星非同凡响。已探明它们是由两颗相距约100万千米的中子星组成的。这是个激烈的系统。该系统包含两颗恒星,每一颗都拥有与太阳相当的质量,却被压缩到一个城市的大小,它们每秒旋转数百次,之间的距离却仅为地月距离的三倍。对爱因斯坦理论的检验人员来说,脉冲双星的好处是,其中一个脉冲星发出的无线电波有时会非常接近另一个脉冲星。这意味着超规则的射电束通过了一个严重弯曲的时空区域,这引起了该射电束的传输延迟。因此,通过仔细测量这种传输延迟,就可以证明爱因斯坦的理论。
脉冲双星还有一个优点。它们缠绕着运动,在空间中泛起涟漪,并向外传播出去。涟漪带走了双星的能量,致使它们旋转着慢慢收缩。这些涟漪被称为引力波,爱因斯坦的理论预测了它们的存在(牛顿的理论却不能)。在一次伟大的科学实验中,天文学家同时利用澳大利亚的直径64米帕克斯望远镜、英国焦吉班克的直径76米洛弗尔望远镜和美国西弗吉尼亚的直径100米格林班克望远镜测量了脉冲双星每天旋转收缩互相靠近的距离,结果仅有7毫米,这与广义相对论的预测是一致的。这一成就令人惊叹。这两颗中子星距离地球2000光年,它们相距100万千米,它们旋转着,又绕着彼此环绕。然而,它们的行为被精准地预测到了,精度在毫米量级。预测使用的理论是1915年提出的。那个提出这个理论的人想要理解三个世纪前比萨斜塔上的两块石块为什么同时掉在了地上。
脉冲双星的测量太巧妙,也太深奥,但在地球上我们就可以亲身体验到广义相对论,它从普通的现象中显现出来。世界各地,全球卫星定位系统(GPS)无处不在,精确的爱因斯坦理论是其成功运行的关键。在2万千米的高空,由24颗卫星组成一个强大的网络,环绕着地球运行,每天每颗卫星都会执行两个完整的电路过程。这些卫星采用精确的机载时钟由“三角定位法”给地球上的物体进行定位。在高海拔轨道上,它们的时钟处在一个较弱的引力场中,因此,与地球上同样的时钟相比,星载时钟所处时空的扭曲程度不同。结果是,星载时钟每天快45微秒。除了重力效应外,卫星飞来飞去的速度也非常快(大约1.4万千米每小时),根据狭义相对论原理,时间膨胀将使时钟每天慢走7微妙。综合这两种效应的效果,时钟每天快走38微秒。这点时间并不算多。但忽略它,在几个小时内GPS系统就会瘫痪。光在1纳秒内,也就是十亿分之一秒内,传播大约30厘米。每天38微秒相当于每天超过10千米的位置偏差,这不利于精确导航。解决方法很简单:把卫星时钟每天调慢38微秒,这样导航系统的精度可以从千米提升到米的量级。
