引力波信號對愛因斯坦弱等效原理進行高精度檢驗

　　2月11日，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）科學合作組織正式宣布人類第一次直接探測到了引力波，自此引力波研究宇宙的窗口被正式打開。這一成果具有劃時代的意義，必將對整個天文學領域乃至基礎物理領域帶來革命性的影響。全世界的物理學家和天文學家已經開始利用這個全新的窗口來研究宇宙。

　　物理學期刊《物理評論D》（Physical Review D）于7月29日正式發表了中國科學院紫金山天文臺研究員吳雪峰所帶領的高能時域天文團組及其合作者關于愛因斯坦弱等效原理的最新檢驗結果（Wu, Gao, Wei, Mészáros, Zhang, Dai, Zhang, & Zhu, 2016, Phys.Rev.D, 94, 024061）。該項研究利用引力波信號精確驗證了愛因斯坦廣義相對論中的弱等效原理假設。此項工作合作者包括北京師范大學副教授高鶴和教授朱宗宏、中科院紫金山天文臺博士魏俊杰、美國賓夕法尼亞州立大學教授Peter Meszaros、內華達大學拉斯維加斯分校教授Bing Zhang、南京大學教授戴子高以及中科院高能物理研究所教授張雙南。

　　等效原理是愛因斯坦廣義相對論和其它引力理論的重要基石。愛因斯坦等效原理預言，無靜止質量或靜止質量可以忽略的中性粒子在引力場中傳播，穿越的時間和沒有引力場情況是不同的，該效應也被稱為Shapiro延遲。等效原理可以通過對比河外暫現源同時釋放的不同能量光子（或者不同種類的粒子）在通過同一個引力場所用的時間差來檢驗，即比較不同能量光子（或者不同種類的粒子）在銀河系引力場中傳播對應的后牛頓參數γ值（單位質量引起的空間彎曲）的差別是否為零。目前對愛因斯坦弱等效原理的檢驗主要是基于不同能量光子的觀測時間延遲，人們迫切需要借助不同觀測渠道獲得的不同粒子來檢驗弱等效原理的精確度，包括引力波。升級之后的LIGO/VIRGO對引力波的探測無疑將為研究人員提供檢驗弱等效原理的最佳候選體，并且把對愛因斯坦弱等效原理的高精度檢驗擴展到了引力子。考慮升級之后的LIGO/VIRGO的探測能力和引力波事件源的方位不確定度，吳雪峰等人指出引力波及其電磁對應體信號的聯合探測有望把后牛頓參數γ的差值上限限制到10-10量級，見下圖。這一結果比之前相關限制（都是利用銀河系引力勢）至少提高了1個量級，而且比超新星1987A的多信使（光子和中微子）檢驗結果提高了7個量級，從而進一步證明了愛因斯坦等效原理假設的正確性。《物理評論》的審稿人對這一工作給予了高度評價。

　　英國《新科學家》（New Scientist）在2月18日的Daily News 中以Four big cosmology secrets gravitational waves could uncover（《引力波能揭開的宇宙學4大謎團》）為題把“等效原理”作為宇宙學4大謎團之一，并在新聞中引用吳雪峰所提到的：“在GPS和太空航行時代，引力理論預言的哪怕幾分鐘的誤差，都會造成重大后果。它（等效原理）極其重要。”