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資料採擷的天文記錄也無法撼動愛因斯坦的相對論

繞黑洞運行二十年最終與相對論完全吻合。

銀河系黑洞周圍恒星和氣體的軌道。 圖片:M. Schartmann and L. Calcada/ European Southern Observatory and Max-Planck-Institut fur Extraterrestrische Physik.

你知道嗎?測試驗證廣義相對論是一件令人煩惱的事情。

然而這一理論已被證明是如此有力, 以至於任何認為它不對的人都會以相當嚴肅的方式被現實所左右。 我們應用的測試也受到我們的環境的限制, 因為我們只能在重力很弱的地方精確地測量:在實驗室裡, 或者跟蹤行星的運動。 這是一個範圍和力量的範圍, 但它不包括真正要緊的地方——黑洞旁邊。

觀察一個黑洞周圍的軌道需要眾多支援, 坦率地說, 誰有時間?誰有錢為數十年的望遠鏡提供資金?幸運的是, 望遠鏡已經收集了一段時間的資料, 其中一些恰好包括一些黑洞附近。 最近有一些科學家決定挖掘資料並測試一個超大品質黑洞附近的廣義相對論。

當心黑洞

在我們銀河系的中心, 有一個黑洞,

像卡爾班諾格的兔子一樣, 無情的地吞噬了粗心的流浪漢。 然而有一些愚蠢的恒星靠近兔子黑洞的軌道。 這些恒星只有幾十年的軌道, 它們經歷了相當大的引力。 因此天文學家們期望對這些恒星的精確觀測可以發現與廣義相對論的偏離。

幸運的是, 凱克望遠鏡已經收集了大約25年的資料, 而且在那段時間裡, 他們已經多次把望遠鏡轉向銀河中心。 每次觀察結果都有所不同。 例如望遠鏡在2005年被升級為自我調整光學, 其中一些觀察集中在獲得光譜資料而不是成像。 這些後面的資料包含軌道速度資料, 因為恒星的運動導致觀察到光的多普勒偏移。

所有這些資料以一致的方式組合, 以繪製兩顆星的軌道位置和速度。

這是一個相當的成就, 因為每次觀察望遠鏡指向一個稍微不同的方向, 使用不同的曝光時間, 並考慮到其他輕微的差異。 雖然其他望遠鏡也有資料可用, 但公共記錄不夠詳細, 不能讓科學家以一致的方式處理資料, 這有點可惜, 因為資料集包括來自這兩個望遠鏡的大約100次觀察結果。 想像一下, 如果更多的望遠鏡有可用的資料可能會獲得什麼?

在這一切之後, 我們學到了什麼?廣義相對論仍然正確, 它能精確地預測恒星運動。 這些測量方法測試了廣義相對論, 這種方法與長時間以來在高引力場中所有的相對論不同。 特別是新的測量有助於擴大廣義相對論的邊界, 它遵循一種修正的牛頓動力學模型。

在這些模型中有一個新的力變得明顯的距離, 並且力具有一些未知的特徵強度。 因此天文學家們正在尋找一個與預測有明顯偏差的一致距離。 然而測量告訴我們, 對於任何與這些恒星軌道有關的距離, 是一個新的零強度力。

或者更確切地說, 一個新的力強度如此之小, 以至於我們還無法測量它。 結論:廣義相對論再次獲勝。

通常我會有興趣地這樣的論文, 但我很少報導。 問題不在於研究人員沒有發現任何東西, 而是他們通常沒有找到任何東西, 只是以一種比前一篇文章稍微敏感一點的方式。 但這篇論文不僅僅是一個測試, 它確實是一個新的開始。

阿爾伯特·愛因斯坦(1919年)(日食後的航行)(驗證廣義相對論)圖片:Public domain

一個大而開放的資料未來

科學研究中出現的一個主題是開放資料。 科學總是能產生比它所能消耗的更多的資料。 在過去大多數資料是在物理物體中收集的:想想天文板塊、X光圖像、電子顯微鏡圖像和許多其他類型的集合。

這些都存放在世界各地的檔案櫃裡。 圖像中的資料被使用過一次或兩次,除非圖像是壯觀的,難被遺忘的。需要運氣和良好的記憶力,才能認識到來自不同專案的資料之間存在著聯繫,這些資料隱藏在多個舊資料集中。即使你能認出它,你也必須把所有的資料放在一個地方,以便在那個連接上起作用。簡單地說,好的科學受到了較差的資料可訪問性的限制。事實上做新實驗或許比較容易。

更重要的是除了少數例外,大多數以前的實驗局限在範圍內,因為每個科學家只有一輩子的時間來收集資料。

現在我們反而收穫了革命的好處。有一些實驗,就像最近幾代粒子加速器一樣,能快速創建資料,以至於沒有一個科學家團隊,不管多麼專注或多麼龐大,都可以分析所有的資料。而且有一種可以為一個目的生成資料的設備,但是資料可以用創新的方式在其他領域產生新的見解。挖掘所有這些資訊對於非常緩慢的過程非常重要,在這些過程中,資料積累的時間會延續幾代人,比如氣候變化,現在的軌道力學。

粒子物理學界率先搞清楚如何處理這個問題:從大型強子對撞機(LHC)的資料,並從其前任的LEP和粒子加速器已經提供給世界各地的研究人員在相當長的一段時間。對於理論家來說,能夠通過資料查看他們是否能找到他們最新的幻想的希望是很普遍的。氣候科學家已經建立了資料庫,允許任何人測試模型和分析趨勢。結果是粒子物理的一個標準模型,抵制了幻想和氣候模型,反復對現實進行測試。

這個沉默的革命正在擴展到每一個學科的分支,但是我們只是真正地抓住了可能隱藏在數位化資料的巨大資料中的表面。科學家現在可以想像,進行實驗,十年前,可能已經將整個事業的觀察結果用於一個數據點。今天資料可能已經存在,最重要的是可以訪問。在這方面開放資料運動可能是科學中最重要的事態發展之一。

在天文學中,指向天空的望遠鏡數量正在增加。這些望遠鏡的靈敏度越來越好。一旦觀察結果被一致記錄下來,我們將(並為後代)建立起資料寶庫。未來我們將能夠精確地檢驗我們的宇宙理論。

黑洞會從附近恒星吸取物質(圖注)

原作者:Chris Lee

編譯:中子星,審校:博科園

圖像中的資料被使用過一次或兩次,除非圖像是壯觀的,難被遺忘的。需要運氣和良好的記憶力,才能認識到來自不同專案的資料之間存在著聯繫,這些資料隱藏在多個舊資料集中。即使你能認出它,你也必須把所有的資料放在一個地方,以便在那個連接上起作用。簡單地說,好的科學受到了較差的資料可訪問性的限制。事實上做新實驗或許比較容易。

更重要的是除了少數例外,大多數以前的實驗局限在範圍內,因為每個科學家只有一輩子的時間來收集資料。

現在我們反而收穫了革命的好處。有一些實驗,就像最近幾代粒子加速器一樣,能快速創建資料,以至於沒有一個科學家團隊,不管多麼專注或多麼龐大,都可以分析所有的資料。而且有一種可以為一個目的生成資料的設備,但是資料可以用創新的方式在其他領域產生新的見解。挖掘所有這些資訊對於非常緩慢的過程非常重要,在這些過程中,資料積累的時間會延續幾代人,比如氣候變化,現在的軌道力學。

粒子物理學界率先搞清楚如何處理這個問題:從大型強子對撞機(LHC)的資料,並從其前任的LEP和粒子加速器已經提供給世界各地的研究人員在相當長的一段時間。對於理論家來說,能夠通過資料查看他們是否能找到他們最新的幻想的希望是很普遍的。氣候科學家已經建立了資料庫,允許任何人測試模型和分析趨勢。結果是粒子物理的一個標準模型,抵制了幻想和氣候模型,反復對現實進行測試。

這個沉默的革命正在擴展到每一個學科的分支,但是我們只是真正地抓住了可能隱藏在數位化資料的巨大資料中的表面。科學家現在可以想像,進行實驗,十年前,可能已經將整個事業的觀察結果用於一個數據點。今天資料可能已經存在,最重要的是可以訪問。在這方面開放資料運動可能是科學中最重要的事態發展之一。

在天文學中,指向天空的望遠鏡數量正在增加。這些望遠鏡的靈敏度越來越好。一旦觀察結果被一致記錄下來,我們將(並為後代)建立起資料寶庫。未來我們將能夠精確地檢驗我們的宇宙理論。

黑洞會從附近恒星吸取物質(圖注)

原作者:Chris Lee

編譯:中子星,審校:博科園

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