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在宇宙尺度,检验爱因斯坦的理论

本文经Knowable Magazine

(www.knowablemagazine.org)

授权翻译,禁止二次转载

文:Tom Siegfried

一个世纪以前,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)成为了一个家喻户晓的名字。

当然,在更早的时候,他就已经是著名物理学家了。但直到1919年11月,当他的引力理论被证实的消息传出之后,才让几乎全世界的人都知道了他——这曾让艾萨克·牛顿(Issac Newton)的许多粉丝感到沮丧。

当时《纽约时报》打出标题,“天空中所有的光线都是弯曲的”,副标题写着“爱因斯坦的理论胜利了”。正如这篇报道所述,在日食期间,天文学家观测了太阳附近的恒星,发现了它们的位置恰如爱因斯坦所预测的那样——发生了明显偏移。一夜之间,两个多世纪以来被视为无可撼动的牛顿万有引力定律, 不再是无懈可击的存在。

○ 对爱因斯坦广义相对论的第一次重大检验是在1919年的一次日全食中,这张图片源自于一篇科学论文,论文报道了正如爱因斯坦理论所预测的那样,来自遥远恒星的光在太阳引力的作用发生了弯曲。| 图片来源:F.W. DYSON, A.S. EDDINGTON AND C. DAVIDSON

但是,尽管爱因斯坦的引力理论取得了胜利,物理学家们仍然怀疑,有朝一日广义相对论是否也会面临与牛顿定律相同的命运。虽然到目前为止,爱因斯坦的引力已通过了所有验证,但没有人能确切地知道它是否适用于任何地方、任何条件。特别是,没有人能保证是否整个宇宙都由广义相对论支配。为了以防万一,这么多年来,物理学家已经提出了好几种对立理论。

在爱因斯坦提出新理之后的几十年里,它并没有得到足够的重视。直到20世纪后半叶,广义相对论才成为宇宙的理论。该理论中的方程描述了宇宙从最初的高密度、热大爆炸到现在的快速加速膨胀的过程。今天,随着广义相对论的一些更奇异的预言——比如黑洞,再比如被称为引力波的空间振动——都得到了验证,广义相对论赢得了越来越大的声望。

但是广义相对论的成功未必就是永无止境的。虽然这个理论(连同描述自然界中其他三种基本力的标准模型)可以很好地描述可观测宇宙。这种描述中还囊括了大量看不见的物质,即所谓的暗物质,以及一种特殊充斥着整个空间的排斥力,即暗能量。其中,暗物质是基于广义相对论是正确的假设而存在的。

“鉴于没有其他(非引力的)证据可以证明暗世界的存在,那么对证据中的一些基本假设提出质疑是一件常识性的事。而其中主要的假设就是,广义相对论是引力的基础理论。”英国牛津大学的天体物理学家佩德罗·费雷拉(Pedro Ferreira)在最近的《天文学和天体物理学年评》中写道。费雷拉指出,如果你不假定广义相对论是正确的,那么“暗世界存在的证据可能意味着广义相对论在宇宙尺度上的失效”。

换句话说,暗物质是有可能不存在的。在这种情况下,暗物质明显存在的证据实际上可能是一个信号,它意味着爱因斯坦的理论可能并非是宇宙真正的引力理论。如果是这样,现有的宇宙图景将不得不被彻底地重新绘制。

尽管如此,物理学家仍有充足的理由信赖广义相对论。首先,它解决了一个曾让天文学家倍感困扰的水星难题——水星的轨道与牛顿引力预测的轨道不一致。1915年,爱因斯坦在证明了他的引力理论可以正确预测水星的实际轨道之后,才将广义相对论公之于众。

爱因斯坦解开水星之谜的关键是把引力看作是空间的几何所产生的一种效应(或者严格地说,是时空的一种效应,因为他的早期研究表明,空间和时间是不可分割的)。爱因斯坦说,引力不是大质量物体相互吸引的结果,而是质量扭曲了其周围时空的结果。无论是天体的运行轨道还是物体落入了一个质量巨大的物体,都取决于物体周围的时空弯曲程度。与其说这是对某种吸引力作出的响应,不如说是有质量的物体遵循时空的几何轮廓。

引力是一种几何这种说法,导致了一个著名的预测在1919年日食事件中被证实。爱因斯坦指出,在太阳附近的时空曲率会导致来自遥远恒星的星光在经过附近时发生弯曲,从而改变从地球上看到的恒星的视位置。1919年5月,英国天体物理学家阿瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)在西非的普林西比岛进行了一次日食观测。爱丁顿团队发现,有几颗恒星的位置发生了改变,其改变程度与爱因斯坦的计算相符,却是牛顿定律预测结果的两倍。当日食小组在1919年11月公布这些结果时,一则新闻报道称,这预示着“一种新的宇宙哲学”即将来临。

○ 2019年,EHT拍摄了到了位于星系M87中心的黑洞图片,这是黑洞的第一张照片。图像中所显示的光的细节,或许能有助于检验爱因斯坦引力理论的适用性。| 图片来源:EHT合作组

在自那以后的一个世纪里,爱因斯坦的引力通过了许多验证,比如2016年所报道的轰动一时的引力波探测。但是,我们不可能在所有可想象到的条件下对这个理论进行检测。长期以来,一直有专家怀疑,广义相对论在质量密度极高的区域不可能依旧正确。例如在黑洞中心,广义相对论的方程就不再有意义,因为它们意味着物质的密度是无穷大的。

出于种种原因,前往黑洞内部去检验广义相对论都是一个糟糕的策略。但是,在地球上安全待着的科学家可以对引力较强的领域进行探测,或许能得到一些线索。其中一个项目就是使用望远镜网络来拍摄黑洞外边缘附近的区域,即它的“事件视界(任何落入黑洞的物体都无法返回的点)。这些图像可以为物质是如何从黑洞的吸积盘(一个在视界外环绕的物质环)流入黑洞提供细节。

“通过分析吸积流的结构,”费雷拉写道,“将有可能探测时空的结构……并检验它是否符合广义相对论。”

引力波还可以提供极端条件下的引力细节,比如当两个黑洞相撞之时。分析这种碰撞所产生的时空涟漪,或许可以揭示可能存在于广义相对论预测中的缺陷。

○ 正如爱因斯坦的广义相对论所预测的那样,两个黑洞合并时会产生引力波。| 图片来源:SXS

如果广义相对论失效了,那么近几十年来提出的那些引力理论就会蓄势待发。它们中的大多数可以归结为要在自然界的四种基本力——万有引力电磁力强核力弱核力——的基础上,再增加一种新的力。除了引力之外,其他三种已知的力都可以被标准模型精确描述。标准模型是一组遵循量子力学要求的方程,不过广义相对论却并不适用于量子数学,所以长期以来,物理学家一直在进行大量研究工作,以求发展出一种能将引力理论和量子理论相结合的理论。

在最近的一次科学作家研讨会上,宾夕法尼亚州立大学的物理学家阿贝·阿西提卡(Abhay Ashtekar)说道:“广义相对论和量子物理学的统一,被广泛认作是基础物理学中最突出的一个开放性问题。”

大多数专家认为,要得到这样一个统一的理论,需要对广义相对论进行某种修正。

修正广义相对论的一种方法是添加一个新的弥漫在空间中的能量场。这种场在不同位置的强度可以改变广义相对论对物质行为的预测。

一些理论学家提出,与其增加一个额外的时空扭曲来源,增加一层额外的几何结构或许会是一种更有效的方法。还有一些其他的建议,比如超弦理论,它能通过使用比我们所熟知的三个维度更多的空间维度来修正广义相对论。通过数学运算,这些所有的方法都可以归结于添加了第五种力。

到目前为止,实验和观测都还没能发现任何与第五种力有关的蛛丝马迹。但这些检验是在相对小的尺度(与整个宇宙相比)上进行的。可能在这些尺度上,广义相对论会占据上风,因为在这种尺度上,其他物理效应可能会掩盖或屏蔽了第五力所能引起的偏差。然而,在小尺度上被掩盖的效应或许会在大尺度上变得显而易见,费雷拉写道:“这是一个未知的领域,也是少数几个我们可能发现新物理学证据的净土之一。”

○ 显示了中子星碰撞所发射出的引力波的频率的光谱图,为检验广义相对论提供了数据。| 图片来源:LSC / ALEX NITZ

广义相对论的另一个可验证的原则是它要求引力以光速传播。引力波提供了一种验证方法。2017年,两颗中子星的合并不仅向地球发射了引力波(穿越1.3亿光年的距离),还释放出了电磁辐射,其中包括X射线和伽玛射线,它们的传播速度与光速完全相同。电磁射线和引力波的到达时间显示出它们的传播速度是相同的(精确度在千万亿分之一的范围内)——这一结果让许多对此有不同预测的引力理论直接出局。

也许有一天,通过一些更进深入的检验,以及对其他宇宙特征(如宇宙年轻时产生的微波背景辐射余晖)更精确的观测,我们还是有可能发现广义相对论的不足之处。这样的结果或许会让一部分爱因斯坦的粉丝感到失望,但更多的物理学家会为掀开了物理学的新篇章而兴奋不已。

费雷拉写道:“随着有了多个了解引力宇宙的新窗口……人们希望能发现新的力和新的现象。”但费雷拉说,就算最终发现爱因斯坦的理论战胜了宇宙尺度,那我们也能得到一个安慰奖:“至少,我们最终会得到一个钢铁般牢固的引力理论,它在令人称羡的尺度和体系下经受了一系列检验。”

版权声明:原文标题为“Physicists probe validity of Einstein’s gravity on cosmic scales”,首发于Knowable Magazine(www.knowablemagazine.org)。原文链接:https://www.knowablemagazine.org/article/physical-world/2020/testing-einstein-theory-of-gravity。本文经Knowable Magazine的出版社Annual Reviews授权翻译。中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。

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