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爱因斯坦的理论如何推翻

2015-11-07

爱因斯坦的广义相对论重塑了引力理论,解决了牛顿理论所不能解决的问题。自1905年首次亮相以来,它已经通过了几十个专门为它设计的实验检验,但物理学家的挑战其实才刚刚开始。

到目前为止,我们还只是在牛顿的世界里玩耍。不过,这一切很快就会改变。一些大胆的实验将使用全新的探测设备和探测手段来研究引力在宇宙中一些最极端的天体周围是如何起作用的。那里将是广义相对论真正要接受考验的地方。

强大的望远镜已经在寻找脉冲星——恒星死亡后留下的致密核心——信号中的微小变化。很快,全世界的一项共同努力将第一次拍摄到黑洞的样子。巨大的引力波探测器还将扫描数千个星系,寻找宇宙时空结构中的微小涟漪。

这些实验——其中一些是有史以来最雄心勃勃的设想——要检验的是一个在110年前用铅笔和纸写下的理论。不过,大多数物理学家仍然把宝押在爱因斯坦身上。



引力的脉搏

通过使用现有的先进仪器,天文学家得以首次研究宇宙中极端的引力事件,寻找检验相对论可能的突破点。目前,检验相对论的实验几乎都是在太阳系中进行的,但新的望远镜和探测器将帮助天文学家探测远远超出我们生活范围的区域,探测在脉冲星周围高度弯曲的时空中引力是如何作用的。这些极端的天体会发出强劲的辐射波束,像旋转的宇宙灯塔一样扫过天空,其规律性

可以和地球上最好的时钟相媲美。脉冲星极其致密,一颗质量与太阳相当的脉冲星的体积只相当于一个直径10千米左右的球体。

迄今,对广义相对论最知名的检验之一便来自一对被称为PSR B1913+16的脉冲星。也被称为赫尔斯-泰勒双脉冲星,以它们的发现者是拉塞尔·赫尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)命名。因为这项发现,他们获得了1993年的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦预言,像脉冲星这样的致密天体,如果相互绕转的话,会在时空中泛起涟漪,就像湖中的水波。这些时空涟漪被称为引力波,它们的波动十分微小,一道穿过地球的引力波对我们的拉伸作用还不到一个质子的直径。

根据广义相对论,随着时间的推移,辐射出的引力波会带走这个双星系统的能量,使得这两颗脉冲星盘旋着相互靠近。在研究它们的30年中,赫尔斯-泰勒双脉冲星彼此靠近的速率完全符合爱因斯坦的预言。

从1974年起到今天,天文学家已经在银河系中发现了数千颗脉冲星。最近发现的一颗脉冲星PSR J0337+1715具有极不寻常的轨道,它和两颗白矮星组成了一个三星系统,这可以帮助物理学家检验广义相对论的另一个预言——等效原理。该原理认为,引力会以相同的速率加速所有物体,不论其密度和成分如何。

当恒星坍缩成一个超高密度的天体——例如脉冲星或黑洞——时,它的一些物质会转变成引力结合能。爱因斯坦的理论预言,这些能量应该会和物质一样受到相同的引力作用。这意味着,上述三星系统中的脉冲星及其近邻白矮星会以速率被该系统中的第三个天体(另一颗白矮星)吸引。如果并非如此,那脉冲星的轨道就会被扰动,通过测量其发出的脉冲到达地球的时间可以探测这一变化。科学家希望能通过这种方式检验强等效原理是否成立。其结果将会比以往得到的精确20倍,甚至可能是100倍或更高。

这些结果预计很快就会问世,但科学家对爱因斯坦很有信心,广义相对论极有可能通过这一测试。如果不去尝试,那永远也不会知道这个理论是否真的会出现问题。

黑洞无毛

脉冲星无疑是致密的天体,但引力最强大的天体还要数黑洞。天文学家正在尝试检验广义相对论最极端的预言,即质量足够大的恒星最终会在其自身引力的作用下坍缩成黑洞。尽管几十年来的数据都暗示了黑洞的存在,但所有的证据都是间接的,建立在对光线或者其他天体的观测基础之上。黑洞本身还从未被直接观测到过。

眼见为实。天文学家希望能直接拍摄到银河系中心黑洞人马座A*的照片,它距离我们26 000光年。要做到这一点,需要使用事件视界望远镜。它能综合遍布全球的10多架射电望远镜的数据,应该能够据此观测到人马座A*的边缘。天文学家怀疑,该黑洞会在射电背景中投下一个圆形的影子。

除了证明黑洞存在,事件视界望远镜还会确认或挑战相对论的另一个关键论断——黑洞无毛定理。黑洞无毛意味着所有黑洞只需要三个物理量即可描述:质量、自转和电荷。任何“毛” ——即进入黑洞的物质——本身携带的信息,例如化学成分、分子结构,甚至形状和大小,都会永远消失在黑洞的事件视界之内。

科学家计划使用事件视界望远镜来研究人马座A*所投影子的大小和形状。广义相对论的无毛定理预言了一个几乎完美的圆形阴影,而在其他理论中,它呈椭圆形。同样是为了检验这一定理,还有天文学家提出可以跟踪人马座A*近旁恒星及其附近脉冲星的运动。黑洞的“毛”会改变黑洞附近这些天体的运动,在未来十年内投入使用的望远镜可以探测到这些变化。

如果发现无毛定理存在问题,那无论对广义相对论还是对黑洞理论都是一个重大的打击。这将是一个惊喜,意想不到的事情或早或晚总是会出现。在天文学和物理学中,每当我们打开一扇通往此前未知世界的窗口,总会发现一些意料之外的东西。

凝视引力

最后,还有一 组实验会来检验相对论,它们并不采集、分析来自天体的辐射,而是观测引力本身。激光干涉引力波天文台和室女座引力波天文台将会搜寻这些由数亿光年远的星系发出的引力波。

在这些天文台巨大的L形干涉臂中,激光会在几千米长的管道中来回穿梭,往返于探测器和反射镜之间。这些天文台都经过精密的调试,可以探测到引力波对其反射镜造成的轻微推拉作用,其幅度仅相当于一个质子的千分之一。这些微小的扰动会在探测器接收到的激光中留下可以识别的图案,物理学家可以通过分析数据来寻找对应的天体系统。激光干涉引力波天文台由两个位于美国的独立探测器组成,于2002年投入使用。室女座引力波天文台位于意大利,分别在2007年和2009年至2010年间与前者开展了联合观测。所有这些尝试都没有探测到引力波。这是一个令人失望但并不

意外的结果。激光干涉引力波天文台的两个探测器目前正在进行重要的升级,这将使它们能够探测比此前大1000倍的区域。到2018年,它们将具有足够的灵敏度来探测源于数万个星系的引力波。

这些引力波数据将检验爱因斯坦有关黑洞自转速度以及黑洞或中子星间相互碰撞的预言。这些事件极其剧烈,就能量而言,两个黑洞并合的最终阶段释放的能量,可以超过其所在星系中所有恒星能量的总和。如果引力波数据中存在无法解释的信号,那就会迫使广义相对论做出修改。当然,这并非科学家希望看到的。

无往不利

爱因斯坦本人从未真正怀疑过广义相对论。当被问及一个早期的实验否定其理论的可能性时,他回答说:“那我就对亲爱的上帝感到抱歉。这个理论(广义相对论)无论如何都是正确的。”根据实验检验的结果,今天的物理学家都认同这一点。如果广义相对论能在未来的这些实验中胜出,并不会让人感到惊讶。

如果广义相对论真的出现了问题,那也是令人兴奋的,但这种兴奋喜忧参半。物理学家将不得不与他们手中最美丽的理论之一告别。毕竟,广义相对论仅用少量的假设即可提供对宇宙的深刻认识,着实是一个优雅的理论。



爱因斯坦公布他的广义相对论时,听到的并不全是掌声。因为几乎没有人能理解其中的数学,进而了解他提出的抽象概念,当时他也没有任何证据来支持这个理论。但广义相对论被提出一个世纪以来,它已经连续不断地通过了许多严苛的检验。

广义相对论至今仍是我们对引力现象最好的解释。它提出了各式各样的惊人概念,其中大部分可以归结为一点:由于弯曲的时空结构,对所有的观测者而言,引力的行为都是相同的。

就像爱因斯坦自己预计的那样,从一个煎饼大小的尺度到数百万光年的范围,他的这些观点都已获得了验证。在解释行星反常的轨道和死亡恒星运动的同时,广义相对论还在与日常生活休戚相关的全球定位系统中发挥了作用。

今天我们使用的广义相对论,仍是其100年前被提出时的那个样子,但它在许多不同的条件下依然非常有效。

下面的6个例子,彰显了爱因斯坦的广义相对论是如何经受住实验检验的。

1.水星近日点进动:牛顿引力的瑕疵

19世纪中叶海王星的发现也许是牛顿引力定律最伟大的胜利。1846年,法国数学家勒威耶发现天王星轨道异常,并认为可能是由另一颗行星引起的。他利用牛顿引力定律对后者所在的位置进行了预言。仅仅几个月后,德国天文学家便据此发现了海王星。有趣的是,牛顿引力框架下的另一个轨道异常却佐证了爱因斯坦的想法。

1859年,勒威耶指出,水星到达其轨道上最靠近太阳的位置——近日点——的时间比“预定”的晚了半秒。水星并没有严格遵照牛顿所说的方式运动。这一现象被称为水星近日点进动异常,它的数值并不大,只有牛顿引力预言值的10-8。然而,在水星每次为期88天的公转过程中,近日点出现的位置总是与天文学家预计的不符。

起初,人们认为与天王星问题的解决方案一样,还有另一颗更为靠近太阳的行星在影响水星的轨道。这颗想象中的行星甚至还有一个名字:祝融。然而,历经数十年的搜寻,天文学家也没有发现它的踪影。

1905年,爱因斯坦登场。他崭新的理论可以精确地解释水星轨道的异常,原因就在于太阳的巨大质量造成的时空弯曲。

在其他恒星系统中同样观测到了类似的行星近日点进动,也都与广义相对论的预言完全一致,其中就包括由两颗中子星构成的双星系统。中子星是大质量恒星坍缩之后留下的致密残骸,直到20世纪30年代都鲜有人相信它们的存在。爱因斯坦的广义相对论可以完美地描述两颗中子星之间的相互绕转。

2.遥远天体的光线弯曲

解释水星轨道异常的成功并没有让爱因斯坦一跃成为超级巨星。几年之后,当广义相对论另一个大胆的预言被确认,这些荣誉才真正到来。爱因斯坦提出,大质量的天体,例如太阳,会弯曲时空,使得掠过它表面附近的光线路径发生偏折。

爱因斯坦的广义相对论激起了英国天文学家亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)的兴趣,他抓住了一个绝佳的机会来检验这一偏折效应。1919年5月29日会发生一次日全食,太阳发出的耀眼光芒会被月亮遮挡,而与此同时,太阳会出现在明亮的星团——毕星团——附近。如果爱因斯坦是正确的,太阳的存在会使得毕星团中恒星发出的光线发生偏折,令它们在天空中的位置发生微小的改变。

爱丁顿派出了两个考察队——一个前往巴西的索布拉尔,另一个前往西非的普林西比岛——去测量日全食时毕星团恒星位置的变化。结果显示,这些恒星的位置确实如预言的那样出现了微小的位移。

这一发现成了世界各地的头条新闻,1919年11月7日的《伦敦时报》用《科学的革命,宇宙的新理论,牛顿理论被推翻》作为文章的题目报道了爱因斯坦和他的理论。作为一个重量级的物理学家,爱因斯坦开始家喻户晓。

光线穿过弯曲时空产生的引力透镜现象今天已成为探索宇宙的重要工具。它是爱因斯坦赐予天文学的礼物。例如,前景星系团可以弯曲并放大遥远背景中原星系的光线,让宇宙学家可以一瞥宇宙的早期时代。

3.光的引力红移

还有第三个预言佐证广义相对论。爱因斯坦认为,这三大经典实验是证实广义相对论的关键,而第三个实验是他唯一没能在有生之年看到的实验。

根据相对论,当光线离开一个大质量天体时,引力所弯曲的时空会拉伸光线,进而增大它的波长。对光来说,波长等同于其携带的能量;可见光的能量越低,看上去就越红,反之,看上去就越蓝;引力使得光的波长增大,就会让它变红。广义相对论预言的这一引力红移效应十分微弱,直到1959年才被探测到。

在一个电梯竖井的底部,科学家放置了一些放射性铁的样品,它发出的γ射线会从底部向上射到屋顶,那里安放了一台检测器。虽然跨度只有短短的22.5米,但根据爱因斯坦的预言,在地球引力场弯曲的时空中,这足以让γ射线损失其能量的百万亿分之几。

为了进一步证明这个相对论效应,1976年美国航空航天局发射了引力探测器A火箭。这一次,科学家测量的是一个原子钟里电磁波频率的变化;光的波长越短,其频率就越高,反之则越低。在近10 000千米的高空,引力探测器A上的时钟走得比地面上的稍稍快一点。二者的差为7×10-5,和爱因斯坦的预言相符。

2010年,科学家又向前进了一步,把一台钟抬高30厘米,发现它走的速度每秒钟会快4×10-13秒。这是一个梦幻般的实验,能在这么小的距离上测出这么小的差异。由此可以想象,你头部衰老的速度会比你的脚稍快一点。



在一个更为实际的尺度上,同样的效应也影响着全球定位系统。为了与地球表面的时钟同步,这些卫星上的钟必须每天调整3.8×10-5秒。如果不做这个修正,全球定位系统将无法工作。

4.夏皮罗效应:光的延迟

夏皮罗效应得名于它的提出者欧文·夏皮罗(Irwin Shapiro),这个效应通常被称为广义相对论的第四大经典检验,旨在测量光线往返A、B两点间的时间间隔。如果爱因斯坦是正确的,光线在经过大质量天体附近时会花更多的时间。

20世纪60年代初,夏皮罗提出,当从地球上看上去水星位于太阳附近时,利用雷达照射水星并探测其回波可以检测这一效应。他的计算显示,太阳的引力场会使得雷达信号到达的时间推迟约2×10-8秒。

这项实验于1966年开始。从水星返回的雷达波确实发生了延迟,非常接近夏皮罗的预言,但两者符合得并不够好。

因此,为了进一步检验夏皮罗效应,物理学家决定弃用行星——因为其粗糙的表面会散射一部分雷达信号,而改用更好的目标——无人航天器。1979年,着陆火星的“海盗”号为验证夏皮罗效应提供了一个极为难得的机会。2003年,科学家又在飞往土星的“卡西尼”号探测器的信号中探测到了这一时间延迟效应。它们的测量结果都与广义相对论的预言相符。“卡西尼”号实验的精度达到了2×10-5,比“海盗”号的精度高50倍。

5.下落的科学——等效原理

广义相对论的基石在于等效原理。它指出,在引力场中,物体以相同的速率下落,与它的质量或结构无关。在此基础上,这一原理还指出,在一个给定参考系中的其他物理学定律都应该不依赖当地引力场的强度;换句话说,在飞机上抛一枚硬币和在地面上抛的效果是一样的。更进一步,无论是在宇宙中何时何地进行的实验,其结果都应该相同。因此,大自然的规律无论在时间上还是空间上都是处处相同的,这样一路可以追溯至宇宙大爆炸。

400年前,等效原理就有了第一个佐证。传言,1589年意大利天文学家伽利略在比萨斜塔上做了两个球体自由下落的实验。这两个球体受到的空气阻力很小,虽由不同的材料制成,却在同一时间落地。近400年后,1971年在月球上又重新上演了这一幕。“阿波罗15”号的宇航员戴维·斯科特(Dave Scott)同时松开了手中的一个锤子和一根羽毛。在没有空气的月球环境下,锤子和羽毛一起落下,同时击中月球表面,再现了伽利略的实验。尽管它们的成分不同,但下落的速度一样。

“阿波罗”号的宇航员还在月球表面安装了激光反射镜。这些镜子能反射从地面发出的激光,进而精确测量月球与地球的距离,误差只有几毫米。这些测量的结果可以对等效原理进行严苛的检验。迄今,数十年来的激光测月数据显示,其和广义相对论预言的差别不足10-14。

和伽利略以及斯科特的自由落体实验一样,这些测量也证明,在太阳的引力场中,地球和月球受到的加速度相同。

6.时空、自转与拖曳

爱因斯坦的时空概念实际上有点类似某种胶质。有一个著名的比喻,把地球想象成一个放置在蹦床上的保龄球。大质量的地球会导致时空蹦床出现凹陷,使得在其附近运动的物体轨迹因为这一弯曲而发生改变。但蹦床的比喻仅仅是广义相对论整个物理图像的一部分。如果广义相对论是正确的,一个旋转的大质量天体还会拖动时空和它一起搅动,就像在蜂蜜中转动一把汤勺。

1960年前后,物理学家想出一个可以同时检验这两个预言的实验。第1步:在人造地球卫星上放置陀螺仪。第2步:将卫星和陀螺仪对准同一颗参照星。第3步:测量陀螺仪指向的变化,看看它是否与地球引力场的曳引效应相符。

这个实验所需的技术在44年后才变得可行,总共耗资7.5亿美元。这个仪器后来被命名为引力探测器B(引力探测器A的后续)。2011年发布的结果来之不易:这一实验的精度超乎以往,因此其数据分析成了一项巨大的挑战。不过最后,测量结果再次支持了爱因斯坦,地球确实会拖动周围的时空与它一起转动。

在过去的100年中,广义相对论的表现优异,但对它的检验还远没有结束。虽然已有许多令人印象深刻的严苛实验,但没有人在强引力场中,例如黑洞附近,对广义相对论进行检验。鉴于此前的实验结果,在这些极端环境下,爱因斯坦的理论可能依然坚如磐石,但也有可能会完全颠覆我们的认识。

未来,我们将在更深的层次上探测广义相对论的预言,对它的实证检验也将会继续。




为什么科学家热衷于证明爱因斯坦是对的或是错的呢?这绝非因为他是一个杰出人物、他的名字等同于天才以及他在一个多世纪前的工作深刻地重塑了物理学。相反,这背后的动力源自引力本身,因为它一直是物理学中的“刺儿头”。

包括爱因斯坦在内,物理学家早就希望能提出一个宇宙的统一理论,他们一直在努力让引力与其他基本作用力相融合。其结果是,现在我们有一个引力理论,即爱因斯坦的广义相对论,和一个独立的有关其他所有基本作用力的理论,即粒子物理学的“标准模型”——量子理论。不幸的是,这两个极为成功的理论是不相容的,有时甚至是相互矛盾的。

物理学家对此并不满意,他们相信应该存在一个统一的理论可以涵盖大自然的一切。实现这一长期诉求的线索可能就隐藏在更深入地了解在什么样的情况下广义相对论会失效之中。

这也正是科学家一直致力把这个理论推向它的极限的原因——看看它会在什么地方出现问题,从而找到把引力与物理学的其他部分相连接的最佳途径。


一切皆等效

科学家认为,等效原理——广义相对论的核心原则——是大有可为的一个突破口,可以引导他们走向最终的万有理论。简单地说,等效原理认为,在同一引力场的影响下,所有物体都会受到相同的加速度,而无关它们的质量或组成。

这一策略的一个优点是,到目前为止,每一个被提出的统一理论都会引入新的作用力,它会细微地改变引力与物质相互作用的方式。如果这些理论正确且我们能测量得足够精确,就应该看到等效原理出现微小的偏差。换句话说,一块金砖会与一块银砖有着不同的下落速度。对这些差异进行详细的分析可以为物理学家构建一个正确的统一理论提供有价值的线索。

尽管科学家相信这一等效原理的破缺应该存在,因为所有试图把爱因斯坦的理论与其他作用力相统一的尝试都会破坏等效原理。可是,我们还不清楚它会在哪个层面上表现出来。

在地球上已进行的实验表明,等效原理在十万亿分之一的精度上仍是成立的。不过,太空中的实验,例如等效原理卫星检验项目(STEP),则可能会对其进行更严苛的测试,把测量精度再提升100 000倍。一些理论预言,这一精度足以向物理学家展示爱因斯坦的理论会在何处开始出现问题。

下一步

STEP始于1971年,当时是一个研究生的毕业论文。与其差不多同时代的还有引力探测器B计划,它是一颗由美国航空航天局出资建造的卫星,验证了爱因斯坦理论的另一个预言。

STEP有望显著提高等效原理的检验精度。在地面上,这些精密的测量很难进行,因为从街头的交通到大地的震颤等各种干扰无处不在。太空为此提供了一个更为安静的场所。

它的另一个优点是观测时间。举例来说,你从比萨斜塔上丢下不同大小的球体,它们自由下落的时间只有几秒。你若在太空中下放物体,它们会在轨道上不断落向地球。这使测量可以持续很长一段时间——数天甚至更长,科学家可以有很多的时间寻找微弱的效应。



STEP计划使用四对测试质量,它们分别由至少三种不同的材料——例如铍、铌和铂铱合金——制成。在真空中,它们会被冷却到只有几开的低温,这可以削弱温度造成的波动,提高测量精度。这些材料的选择是为了尽可能反映出化学特性的差异,以便更容易地探测出它们之间加速度的差异。这也是为了精密地测量不同成分的物体是否会具有不同的下落加速度。

虽然STEP这个概念已经问世几十年,科学家也一直在努力推进,它也获得了研发的支持,却始终没有得到实质性的经费资助。不过,科学家仍然相信STEP是人类可以追求的最关键的基本物理学实验之一。对STEP来说,真正的坏消息是2004年美国航空航天局终止了其所有的基本物理学项目,自那时起,它的经费一直维持在最低限度上。

不过,科学家仍然抱有希望。2004年发射的引力探测器B卫星就经历了40年的研发历程。STEP的历史也差不多与之相当。

美国海军将领约翰·保罗·琼斯曾说:“我还没有开始战斗。”运气好的话,STEP兴许也能峰回路转。也许它最终会发现爱因斯坦理论中的裂隙,带领我们走向一个全新且无所不包的宇宙理论。


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