以下文章经The Conversation许可转载，The Conversation是一个报道最新研究的在线出版物。
这可能不直观，但如果你同时扔下一个锤子和一根羽毛——在没有空气阻力的情况下——它们会完全同时落地。这是物理学的一个关键原理，被称为“普遍自由落体”，它指出所有物体在同一引力场中都以相同的加速度下落。事实上，这是阿尔伯特·爱因斯坦极其成功的广义相对论中的一个重要主题，该理论描述了引力是如何运作的。
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但是，尽管我们知道它对锤子和羽毛是成立的，但该原理是否适用于恒星等极端物体尚不清楚。现在，一项新的研究发表在《自然》杂志上，该研究使用了一个非常极端的天体物理环境测试了该原理：一个三星系统，包含两颗白矮星和一颗脉冲星（一颗旋转的中子星，发射无线电波）。这些物体是死亡恒星极其致密的遗骸。
剧透警告：事实证明爱因斯坦仍然是正确的，并且要证明他是错误的变得更加困难。
但让我们从基础知识开始。在你的手中拿着一个物体。它是什么并不重要——物体都会有一定的质量。我们可以用两种方式来思考质量。艾萨克·牛顿教导我们，如果我们对一个物体施加力，它就会发生加速度，并且加速度的大小与施加的力的大小成正比——与质量本身成反比。推一辆抛锚的汽车，它不会加速得很快，但是对一辆购物车施加同样的力，你就会把它沿着通道快速地推出去。当考虑物体由于对其施加的力而产生的加速度时，我们考虑物体的“惯性质量”。
任何两个有质量的物体都会通过引力相互吸引。因此，你手中拿着的物体会被地球吸引，而将其向下拉的力的大小取决于物体的质量。在这种情况下，我们考虑“引力质量”。
如果你扔下它，你手中拿着的物体将“自由落体”——引力会加速它向地面运动。将物体向下拉的力的大小取决于引力质量，但加速度的大小取决于惯性质量。但是两种质量之间有区别吗？为了找出答案，我们可以写出一个运动方程，将两种质量联系起来：方程的一侧是惯性质量，另一侧是引力质量。
该方程预测了一些我们可以通过实验测试的东西：如果惯性质量等同于引力质量，那么所有物体都应该以相同的加速度向地球下落，而与它们的质量无关。这常常使人们感到惊讶。这被称为“等效原理”。
伽利略首先注意到坠落的物体以相同的速率下落，你可以自己做这个实验，同时扔下两个质量不同的物体。然而，在地球上做这个实验的一个问题是存在另一个作用在坠落物体上的力，称为空气阻力。如果你扔下一个锤子和一根羽毛，羽毛会倾向于轻轻地飘落到地面，落后于锤子——物体并非严格处于自由落体状态。但是去月球做那个实验，就像宇航员大卫·斯科特在阿波罗 15 号期间所做的那样，那里没有空气阻力，等效原理就显而易见了。
现在，该理论是否能很好地描述所有情况下的引力尚不清楚。这关系重大——如果广义相对论在某些情况下失效，那么我们将需要一个修订版或修改版的引力理论。特别是，科学家们一直在想知道自由落体的普遍性是否适用于具有强“自引力”——自身显著的引力场——的物体。事实上，一些修改后的引力理论预测，对于自由落体中的强自引力物体，等效原理可能会被违反，而广义相对论则认为它应该是普遍适用的。
恒星之舞
多亏了太空中的一个极端实验室——一个4200 光年之外的三星系统——这项新研究得以对此进行测试。这个名字并不能充分体现它的意义：我们正在讨论两颗白矮星和一颗质量更大的“毫秒”脉冲星（一颗每秒旋转约 366 次的中子星，像灯塔一样发射无线电波）。一颗白矮星和脉冲星每 1.6 天互相绕行一次。反过来，它们也每 327 天绕另一颗白矮星运行一次。
脉冲星-白矮星对可以被认为是在向另一颗白矮星自由落体，因为轨道只是永不着陆的自由落体的情况，就像地球周围的卫星一样。当然，脉冲星和白矮星本身也是非常巨大的物体，具有很强的自引力。广义相对论预测，白矮星和脉冲星由于向外部白矮星自由落体而产生的加速度应该是相同的——尽管质量和自引力存在差异。
通过结合跨越六年监测的观测数据，天体物理学家仔细地模拟了这对星体的轨道。他们测量了一个称为 Delta 的参数，该参数描述了白矮星和质量更大的脉冲星之间加速度的分数差异。如果广义相对论成立，那么 Delta 应该等于零。结果表明，在测量的不确定性范围内，加速度的差异实际上在统计上与零一致——我们可以 95% 的置信度说 Delta 小于 0.0000026。
这个新的约束条件比以前测量的任何结果都要好得多。它提供了有价值的新的经验证据，表明广义相对论仍然是我们关于引力如何运作的最佳模型，因此我们目前不太可能需要任何新的或修改后的理论。这距离广义相对论首次在星系尺度上被证明是正确的仅仅几周。
我们是否会找到广义相对论失效的情况？在某种程度上，我确实希望如此，因为它将揭示新的物理学。但是，广义相对论的持续成功——首次写于一个世纪前——肯定应该被誉为我们这个物种最令人难以置信的智力成就之一。
本文最初发表于The Conversation。阅读原文。