引力在四种基本力中是我们人类首先认识和理解的力，但也是目前唯一没有被量化的力，也是在宇宙的大尺度上唯一起作用的力。因此引力直接主导了宇宙的演化过程！

在宇宙中任何具有质量或能量的物体都会吸引其他具有质量或能量的物体，这就解释了从地球上坠落的物体到行星的轨道，再到宇宙中最大结构的形成。广义相对论预测了引力辐射也就是极端天体的轨道衰减问题，那太阳系内行星的轨道呢？我们先从牛顿引力和广义相对论的区别说起，

牛顿引力和广义相对论的区别

下图中有关引力的描述只是一个更为接近基本真理的近似值。物体感受到引力并对所受力的方向做出加速反应，用这样的术语来描述引力的相互作用完全符合我们日常经验。这就是几个世纪以来艾萨克·牛顿为我们提供的对现实最好的理解。

但是在爱因斯坦的相对论中有一个非常非常重要的微妙之处。也可以说是一次伟大的思想革命，即空间和时间不是独立的、固定的实体，而是一个不可分割的组合（时空），时空的形状本身决定了内部所有物体（有质量的和无质量）的运动轨迹。

此外，时空的形状或曲率是由存在于时空本身的所有物质和能量的分布决定的！在一个理想的系统，比如我们的太阳系，牛顿的引力和加速度是一个关于引力本质很好的近似。这也说明牛顿引力有局限性！

在牛顿引力理论中，有一个显著的结论是，任何围绕大质量中心旋转的小质量物体都会以一个完美的椭圆轨道运行，每一次旋转都会沿着相同闭合的路径返回。

而事实上，在广义相对论中所有的行星都无法在围绕太阳的轨道上形成一个闭合的椭圆，总会差那么一点点。当一颗行星离母恒星越近，轨道的偏差越大。这是因为时空弯曲的越严重，时空曲率越高，就不是牛顿引力所能掌握的情况了。

爱因斯坦对引力辐射的预测

在大引力区域，广义相对论与牛顿引力形成了鲜明对比，行星的轨道不仅无法闭合，而且在足够长的时间尺度上，轨道实际上会发生衰减。这是因为爱因斯坦预测，如果运动的电荷在绕原子核运动中会发出电磁辐射，那么质量物体在引力场中的运动也会引起引力辐射，并且带走轨道的能量，使轨道发生衰减。

因此，如果时间足够长，太阳系的行星最终都会向内螺旋走向太阳系的中心，与中心的质量合并。

其实我们不必担心地球会落入太阳，因为相对于太阳微不足道的质量和行星离太阳的距离，轨道衰减的十分缓慢，我们根本无法察觉。要想使地球撞向太阳至少需要10^150年的时间，这比宇宙中任何恒星的寿命都要长得多。

对轨道衰减的验证

但是，如果我们能在宇宙找到一个大质量，并且轨道距离较近的系统，我们应该能够检验到相对论的轨道衰减预测，看看在极端引力状态下轨道是否会衰减，否会以爱因斯坦理论预测的速度衰减？

因此我们需要寻找的是一个有着太阳质量的天体，但它的体积只有一座山那么大，在宇宙中中子星就是首选观测对象。

中子星是II型超新星爆发中的超大质量恒星的残余核心，中子星的质量还不足以塌缩成黑洞。已知质量最大的中子星之一是PSR J0348+0432，质量大约是太阳质量的两倍，但半径可能只有10公里。对于这颗中子星来说，他的特别之处在于：

  • 大多数中子星属于脉冲星，这意味着，当中子星旋转时，会以发射出两束无线电辐射。这颗中子星的无线电正好扫过我们地球，这非常罕见。我们用无线电望远镜从这颗中子星接收到了一个非常有规律的脉冲每秒钟25次。

  • 这颗中子星是一个双星系统，这意味着有另一个质量正在绕着它旋转。这是爱因斯坦相对论的一个非常特殊的例子，因为它们不仅有进动的椭圆轨道，还有轨道衰变后发出的引力辐射。
  • 最后，围绕中子星的另一个质量是白矮星，一个非常小的物体，质量和太阳差不多，但是和地球的物理大小相当，并且它离中子星很近，每2.5小时绕中子星一圈。

这种极端系统中的引力轨道衰变已经被观察证实了几十年，甚至获得了诺贝尔奖。这是相对论有史以来最强的测试之一！

我们发现双星轨道周期以每年8微秒的速度在变化，这与爱因斯坦的预测完全一致！这就广义相对论主导下的引力轨道衰减。