本文經(jīng)Knowable Magazine
（www.knowablemagazine.org）
授權(quán)翻譯，禁止二次轉(zhuǎn)載
撰文：Tom Siegfried
一個(gè)世紀(jì)以前，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）成為了一個(gè)家喻戶曉的名字。
當(dāng)然，在更早的時(shí)候，他就已經(jīng)是著名物理學(xué)家了。但直到1919年11月，當(dāng)他的引力理論被證實(shí)的消息傳出之后，才讓幾乎全世界的人都知道了他——這曾讓艾薩克·牛頓（Issac Newton）的許多粉絲感到沮喪。
當(dāng)時(shí)《紐約時(shí)報(bào)》打出標(biāo)題，“天空中所有的光線都是彎曲的”，副標(biāo)題寫(xiě)著“愛(ài)因斯坦的理論勝利了”。正如這篇報(bào)道所述，在日食期間，天文學(xué)家觀測(cè)了太陽(yáng)附近的恒星，發(fā)現(xiàn)了它們的位置恰如愛(ài)因斯坦所預(yù)測(cè)的那樣——發(fā)生了明顯偏移。一夜之間，兩個(gè)多世紀(jì)以來(lái)被視為無(wú)可撼動(dòng)的牛頓萬(wàn)有引力定律， 不再是無(wú)懈可擊的存在。
○ 對(duì)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的第一次重大檢驗(yàn)是在1919年的一次日全食中，這張圖片源自于一篇科學(xué)論文，論文報(bào)道了正如愛(ài)因斯坦理論所預(yù)測(cè)的那樣，來(lái)自遙遠(yuǎn)恒星的光在太陽(yáng)引力的作用發(fā)生了彎曲。| 圖片來(lái)源：F.W. DYSON, A.S. EDDINGTON AND C. DAVIDSON
但是，盡管愛(ài)因斯坦的引力理論取得了勝利，物理學(xué)家們?nèi)匀粦岩?，有朝一?/span>廣義相對(duì)論是否也會(huì)面臨與牛頓定律相同的命運(yùn)。雖然到目前為止，愛(ài)因斯坦的引力已通過(guò)了所有驗(yàn)證，但沒(méi)有人能確切地知道它是否適用于任何地方、任何條件。特別是，沒(méi)有人能保證是否整個(gè)宇宙都由廣義相對(duì)論支配。為了以防萬(wàn)一，這么多年來(lái)，物理學(xué)家已經(jīng)提出了好幾種對(duì)立理論。
在愛(ài)因斯坦提出新理之后的幾十年里，它并沒(méi)有得到足夠的重視。直到20世紀(jì)后半葉，廣義相對(duì)論才成為宇宙的理論。該理論中的方程描述了宇宙從最初的高密度、熱大爆炸到現(xiàn)在的快速加速膨脹的過(guò)程。今天，隨著廣義相對(duì)論的一些更奇異的預(yù)言——比如黑洞，再比如被稱為引力波的空間振動(dòng)——都得到了驗(yàn)證，廣義相對(duì)論贏得了越來(lái)越大的聲望。
但是廣義相對(duì)論的成功未必就是永無(wú)止境的。雖然這個(gè)理論（連同描述自然界中其他三種基本力的標(biāo)準(zhǔn)模型）可以很好地描述可觀測(cè)宇宙。這種描述中還囊括了大量看不見(jiàn)的物質(zhì)，即所謂的暗物質(zhì)，以及一種特殊充斥著整個(gè)空間的排斥力，即暗能量。其中，暗物質(zhì)是基于廣義相對(duì)論是正確的假設(shè)而存在的。
“鑒于沒(méi)有其他（非引力的）證據(jù)可以證明暗世界的存在，那么對(duì)證據(jù)中的一些基本假設(shè)提出質(zhì)疑是一件常識(shí)性的事。而其中主要的假設(shè)就是，廣義相對(duì)論是引力的基礎(chǔ)理論?！庇?guó)牛津大學(xué)的天體物理學(xué)家佩德羅·費(fèi)雷拉（Pedro Ferreira）在最近的《天文學(xué)和天體物理學(xué)年評(píng)》中寫(xiě)道。費(fèi)雷拉指出，如果你不假定廣義相對(duì)論是正確的，那么“暗世界存在的證據(jù)可能意味著廣義相對(duì)論在宇宙尺度上的失效”。
換句話說(shuō)，暗物質(zhì)是有可能不存在的。在這種情況下，暗物質(zhì)明顯存在的證據(jù)實(shí)際上可能是一個(gè)信號(hào)，它意味著愛(ài)因斯坦的理論可能并非是宇宙真正的引力理論。如果是這樣，現(xiàn)有的宇宙圖景將不得不被徹底地重新繪制。
盡管如此，物理學(xué)家仍有充足的理由信賴廣義相對(duì)論。首先，它解決了一個(gè)曾讓天文學(xué)家倍感困擾的水星難題——水星的軌道與牛頓引力預(yù)測(cè)的軌道不一致。1915年，愛(ài)因斯坦在證明了他的引力理論可以正確預(yù)測(cè)水星的實(shí)際軌道之后，才將廣義相對(duì)論公之于眾。
愛(ài)因斯坦解開(kāi)水星之謎的關(guān)鍵是把引力看作是空間的幾何所產(chǎn)生的一種效應(yīng)（或者嚴(yán)格地說(shuō)，是時(shí)空的一種效應(yīng)，因?yàn)樗脑缙谘芯勘砻鳎臻g和時(shí)間是不可分割的）。愛(ài)因斯坦說(shuō)，引力不是大質(zhì)量物體相互吸引的結(jié)果，而是質(zhì)量扭曲了其周?chē)鷷r(shí)空的結(jié)果。無(wú)論是天體的運(yùn)行軌道還是物體落入了一個(gè)質(zhì)量巨大的物體，都取決于物體周?chē)臅r(shí)空彎曲程度。與其說(shuō)這是對(duì)某種吸引力作出的響應(yīng)，不如說(shuō)是有質(zhì)量的物體遵循時(shí)空的幾何輪廓。
引力是一種幾何這種說(shuō)法，導(dǎo)致了一個(gè)著名的預(yù)測(cè)在1919年日食事件中被證實(shí)。愛(ài)因斯坦指出，在太陽(yáng)附近的時(shí)空曲率會(huì)導(dǎo)致來(lái)自遙遠(yuǎn)恒星的星光在經(jīng)過(guò)附近時(shí)發(fā)生彎曲，從而改變從地球上看到的恒星的視位置。1919年5月，英國(guó)天體物理學(xué)家阿瑟·愛(ài)丁頓（Arthur Eddington）在西非的普林西比島進(jìn)行了一次日食觀測(cè)。愛(ài)丁頓團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，有幾顆恒星的位置發(fā)生了改變，其改變程度與愛(ài)因斯坦的計(jì)算相符，卻是牛頓定律預(yù)測(cè)結(jié)果的兩倍。當(dāng)日食小組在1919年11月公布這些結(jié)果時(shí)，一則新聞報(bào)道稱，這預(yù)示著“一種新的宇宙哲學(xué)”即將來(lái)臨。
○ 2019年，EHT拍攝了到了位于星系M87中心的黑洞圖片，這是黑洞的第一張照片。圖像中所顯示的光的細(xì)節(jié)，或許能有助于檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦引力理論的適用性。| 圖片來(lái)源：EHT合作組
在自那以后的一個(gè)世紀(jì)里，愛(ài)因斯坦的引力通過(guò)了許多驗(yàn)證，比如2016年所報(bào)道的轟動(dòng)一時(shí)的引力波探測(cè)。但是，我們不可能在所有可想象到的條件下對(duì)這個(gè)理論進(jìn)行檢測(cè)。長(zhǎng)期以來(lái)，一直有專(zhuān)家懷疑，廣義相對(duì)論在質(zhì)量密度極高的區(qū)域不可能依舊正確。例如在黑洞中心，廣義相對(duì)論的方程就不再有意義，因?yàn)樗鼈円馕吨镔|(zhì)的密度是無(wú)窮大的。
出于種種原因，前往黑洞內(nèi)部去檢驗(yàn)廣義相對(duì)論都是一個(gè)糟糕的策略。但是，在地球上安全待著的科學(xué)家可以對(duì)引力較強(qiáng)的領(lǐng)域進(jìn)行探測(cè)，或許能得到一些線索。其中一個(gè)項(xiàng)目就是使用望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)來(lái)拍攝黑洞外邊緣附近的區(qū)域，即它的“事件視界”（任何落入黑洞的物體都無(wú)法返回的點(diǎn)）。這些圖像可以為物質(zhì)是如何從黑洞的吸積盤(pán)（一個(gè)在視界外環(huán)繞的物質(zhì)環(huán)）流入黑洞提供細(xì)節(jié)。
“通過(guò)分析吸積流的結(jié)構(gòu)，”費(fèi)雷拉寫(xiě)道，“將有可能探測(cè)時(shí)空的結(jié)構(gòu)……并檢驗(yàn)它是否符合廣義相對(duì)論?！?/span>
引力波還可以提供極端條件下的引力細(xì)節(jié)，比如當(dāng)兩個(gè)黑洞相撞之時(shí)。分析這種碰撞所產(chǎn)生的時(shí)空漣漪，或許可以揭示可能存在于廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)中的缺陷。
○ 正如愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的那樣，兩個(gè)黑洞合并時(shí)會(huì)產(chǎn)生引力波。| 圖片來(lái)源：SXS
如果廣義相對(duì)論失效了，那么近幾十年來(lái)提出的那些引力理論就會(huì)蓄勢(shì)待發(fā)。它們中的大多數(shù)可以歸結(jié)為要在自然界的四種基本力——萬(wàn)有引力、電磁力、強(qiáng)核力和弱核力——的基礎(chǔ)上，再增加一種新的力。除了引力之外，其他三種已知的力都可以被標(biāo)準(zhǔn)模型精確描述。標(biāo)準(zhǔn)模型是一組遵循量子力學(xué)要求的方程，不過(guò)廣義相對(duì)論卻并不適用于量子數(shù)學(xué)，所以長(zhǎng)期以來(lái)，物理學(xué)家一直在進(jìn)行大量研究工作，以求發(fā)展出一種能將引力理論和量子理論相結(jié)合的理論。
在最近的一次科學(xué)作家研討會(huì)上，賓夕法尼亞州立大學(xué)的物理學(xué)家阿貝·阿西提卡（Abhay Ashtekar）說(shuō)道：“廣義相對(duì)論和量子物理學(xué)的統(tǒng)一，被廣泛認(rèn)作是基礎(chǔ)物理學(xué)中最突出的一個(gè)開(kāi)放性問(wèn)題?！?/span>
大多數(shù)專(zhuān)家認(rèn)為，要得到這樣一個(gè)統(tǒng)一的理論，需要對(duì)廣義相對(duì)論進(jìn)行某種修正。
修正廣義相對(duì)論的一種方法是添加一個(gè)新的彌漫在空間中的能量場(chǎng)。這種場(chǎng)在不同位置的強(qiáng)度可以改變廣義相對(duì)論對(duì)物質(zhì)行為的預(yù)測(cè)。
一些理論學(xué)家提出，與其增加一個(gè)額外的時(shí)空扭曲來(lái)源，增加一層額外的幾何結(jié)構(gòu)或許會(huì)是一種更有效的方法。還有一些其他的建議，比如超弦理論，它能通過(guò)使用比我們所熟知的三個(gè)維度更多的空間維度來(lái)修正廣義相對(duì)論。通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算，這些所有的方法都可以歸結(jié)于添加了第五種力。
到目前為止，實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)都還沒(méi)能發(fā)現(xiàn)任何與第五種力有關(guān)的蛛絲馬跡。但這些檢驗(yàn)是在相對(duì)小的尺度（與整個(gè)宇宙相比）上進(jìn)行的。可能在這些尺度上，廣義相對(duì)論會(huì)占據(jù)上風(fēng)，因?yàn)樵谶@種尺度上，其他物理效應(yīng)可能會(huì)掩蓋或屏蔽了第五力所能引起的偏差。然而，在小尺度上被掩蓋的效應(yīng)或許會(huì)在大尺度上變得顯而易見(jiàn)，費(fèi)雷拉寫(xiě)道：“這是一個(gè)未知的領(lǐng)域，也是少數(shù)幾個(gè)我們可能發(fā)現(xiàn)新物理學(xué)證據(jù)的凈土之一?！?/span>
○ 顯示了中子星碰撞所發(fā)射出的引力波的頻率的光譜圖，為檢驗(yàn)廣義相對(duì)論提供了數(shù)據(jù)。| 圖片來(lái)源：LSC / ALEX NITZ
廣義相對(duì)論的另一個(gè)可驗(yàn)證的原則是它要求引力以光速傳播。引力波提供了一種驗(yàn)證方法。2017年，兩顆中子星的合并不僅向地球發(fā)射了引力波（穿越1.3億光年的距離），還釋放出了電磁輻射，其中包括X射線和伽瑪射線，它們的傳播速度與光速完全相同。電磁射線和引力波的到達(dá)時(shí)間顯示出它們的傳播速度是相同的（精確度在千萬(wàn)億分之一的范圍內(nèi)）——這一結(jié)果讓許多對(duì)此有不同預(yù)測(cè)的引力理論直接出局。
也許有一天，通過(guò)一些更進(jìn)深入的檢驗(yàn)，以及對(duì)其他宇宙特征（如宇宙年輕時(shí)產(chǎn)生的微波背景輻射余暉）更精確的觀測(cè)，我們還是有可能發(fā)現(xiàn)廣義相對(duì)論的不足之處。這樣的結(jié)果或許會(huì)讓一部分愛(ài)因斯坦的粉絲感到失望，但更多的物理學(xué)家會(huì)為掀開(kāi)了物理學(xué)的新篇章而興奮不已。
費(fèi)雷拉寫(xiě)道：“隨著有了多個(gè)了解引力宇宙的新窗口……人們希望能發(fā)現(xiàn)新的力和新的現(xiàn)象?！钡M(fèi)雷拉說(shuō)，就算最終發(fā)現(xiàn)愛(ài)因斯坦的理論戰(zhàn)勝了宇宙尺度，那我們也能得到一個(gè)安慰獎(jiǎng)：“至少，我們最終會(huì)得到一個(gè)鋼鐵般牢固的引力理論，它在令人稱羨的尺度和體系下經(jīng)受了一系列檢驗(yàn)?！?/span>
版權(quán)聲明：原文標(biāo)題為“Physicists probe validity of Einstein’s gravity on cosmic scales”，首發(fā)于Knowable Magazine（www.knowablemagazine.org）。原文鏈接：https://www.knowablemagazine.org/article/physical-world/2020/testing-einstein-theory-of-gravity。本文經(jīng)Knowable Magazine的出版社Annual Reviews授權(quán)翻譯。中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。
聯(lián)系客服
