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超越广义相对论(美国新发现)



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。


文/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)。


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