超越广义相对论

超越广义相对论

菲利普·鲍尔 2015年02月06日

你可能以为，物理学家现在已经满意了。他们一直在对爱因斯坦的广义相对论进行检验。爱因斯坦在整整100年前 第一次提出了广义相对论，它解释了引力是什么。科学家们一直没有发现它存在任何不足之处，但却仍在调查根据它做出的预测，精确到第n位小数。在该理论 100周年之际，科学家会做一些特别严格的验证。也许会有人发现这座非凡数学大厦的第一个微小缺陷。

更为奇怪的是，虽然在物理学家中，广义相对论获得的赞颂和尊崇超过了所有其他科学理论，但如果验证证明它站不住脚，他们无疑会感到欣喜。这就是科学：你提出了一个聪明的想法，然后检验它至极限。

但是揭示该理论缺陷的这种决心，其实无关乎怀疑主义，和肆意的虚无主义更是远远扯不上关系。大多数物理学家已 经确信，广义相对论并不是引力的最终定论。这是因为该理论主要应用在恒星和星系的规模，和量子理论没有交集。量子理论是现代物理学的另一块基石，针对的是 原子和亚原子粒子级别的微观世界。科学家们觉得，这两个基本理论的依托是一个量子引力理论，广义相对论和常规量子理论是它的绝佳近似值，这就像艾萨克·牛 顿在17世纪后期提出的万有引力理论，除某些极端情况外，应用起来通常都没问题。

科学家的希望是，如果能找到广义相对论站不住脚的一些黑暗角落——这有可能是因为它描述的引力场如此强大——那么我们或许会发现它欠缺了哪些成分，而这可能会指明通向量子引力理论的道路。

广义相对论不仅仅是爱因斯坦最后一个宏伟想法，而且可以说 是他最伟大的构想。他的“奇迹年”通常被认为是1905年，这一年他开始构想量子理论，并提出了狭义相对论，描述了接近光速的运动导致的时空扭曲。广义相 对论则描绘了更加广阔的画面，探讨了变速运动，比如物体在进入引力场时出现的加速。根据爱因斯坦解释，引力可以看成是由于质量的存在，时间和空间结构中出 现的弯曲。这也扭曲了时间：与没有引力场的空间相比，时钟在一个强大的引力场中走得慢一些。利用在空间卫星上极其精确的时钟，科学家们彻底证实了这个预测 的正确性。事实上，GPS系统必须考虑到这种影响，来调整自己的时钟。 爱因斯坦1915年向普鲁士科学院(Prussian Academy of Sciences)提交了广义相对论的论文，不过正式发表是在第二年。该理论还预测，强大的引力场会导致光的弯曲。在1919年，英国天文学家亚瑟·爱丁 顿(Arthur Eddington)通过仔细观察一次日全食中一些恒星的位置，证实了这一预测，这些恒星的光线会通过临近太阳的区域。爱因斯坦自此成为国际名人。当他在 1931年与查理·卓别林(Charlie Chaplin)见面时，据说卓别林对他说，公众为他们两人喝彩，是因为每个人都理解自己的电影，但没有一个人理解爱因斯坦的理论。

广义相对论预言，一些燃料耗尽的恒星将因自身引力而崩塌。 它们被称为中子星，其密度可能会变得非常之大，直径只有几英里，但一小勺就有100亿吨。或者可能会无限地崩塌下去，变成“奇点”，也就是一个黑洞，其巨大引力场甚至连光都无法逃逸，因为周围的空间太过弯曲，光会直接转弯回到原处。

自那之后，天文学家发现了很多中子星：有些被称为脉冲星，它们旋转运动，从磁极发射出强烈的电波，发射和停止存在着精准的规律性。黑洞只能通过X射线和热气体散发的其他辐射被间接看到，黑洞被这些热气体包围着，并将它们吸入。但是天体物理学家坚信黑洞是存在的。

虽然牛顿的引力理论基本上足以描述太阳系的运动，但对于密 度极大的物体，比如脉冲星和黑洞，广义相对论就不可或缺了。这也是用天文研究检验这个理论的局限的地方。去年在弗吉尼亚州夏洛茨维尔，国家射电天文台 (National Radio Astronomy Observatory)的天文学家发现了一颗脉冲星，绕着它运动的另外两颗缩小的恒星被称为白矮星，而这一现象是前所未见的。在这种情况下，有两个星体 在第三个的引力场中运动，如果在白矮星绕脉冲星运动的时候，非常细致地测量它们对脉冲星电波发射规律的影响，应该可以检验广义相对论的核心支柱之一“强等 效原理”。该团队希望今年开展这项研究。

但最引人注目的广义相对论检验是对引力波的寻找。该理论预 测，一些非常庞大的星体，比如超新星（爆炸的恒星）或者被另一颗恒星围绕盘旋的脉冲星（脉冲双星），和它们有关的天体物理过程应该在时空中激发涟漪，像波 一样向外辐射。第一个脉冲双星是在1974年发现的，科学家假设两个星体辐射了引力波，因而损耗了能量，计算出了它们靠拢的速率，我们现在已经知道，它们 确实在以这个速率慢慢靠拢。

不过，真正的目标是，当这些波经过我们的星球时，直接从它 们导致的微小空间扭曲中看到它们。引力波探测器让激光在长两公里、摆成L形的干涉臂上来回反射，从而对这种微小收缩或扩张进行测量。目前世界上许多台引力 波探测器，其中两台——美国的LIGO，在路易斯安那州和华盛顿有两个观察站；以及欧洲的VIRGO，位于意大利——刚刚对灵敏性进行了升级，它们都将在 2015年开始寻找引力波。去年9月，欧洲航天局还用太空中的LISA Pathfinder探测器开展了一个试点任务。

幸运的话，2015年就会是我们确认广义相对论优势和局限 性的一年。但这不会对它受到的推崇产生太大影响。奥地利-瑞士物理学家沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)称广义相对论“可能是现有理论中最美的”。很多物理学家（包括爱因斯坦本人）相信它，并不是因为它经过了实验的检验，而是因为他们认为它简洁 优雅。每个在量子引力领域工作的人都知道，简洁优雅是多么难以达到。

菲利普·鲍尔(Philip Ball)是科普作家，曾任《自然》杂志编辑。他著有新书《隐形之物：看不见的危险诱惑》(Invisible: The Dangerous Allure of the Unseen)。