超越廣義相對論（美國新發現）

09-18

你可能以為，物理學家現在已經滿意了。他們一直在對愛因斯坦的廣義相對論進行檢驗。愛因斯坦在整整100年前第一次提出了廣義相對論，它解釋了引力是什麼。科學家們一直沒有發現它存在任何不足之處，但卻仍在調查根據它做出的預測，精確到第n位小數。在該理論100周年之際，科學家會做一些特別嚴格的驗證。也許會有人發現這座非凡數學大廈的第一個微小缺陷。
更為奇怪的是，雖然在物理學家中，廣義相對論獲得的讚頌和尊崇超過了所有其他科學理論，但如果驗證證明它站不住腳，他們無疑會感到欣喜。這就是科學：你提出了一個聰明的想法，然後檢驗它至極限。
但是揭示該理論缺陷的這種決心，其實無關乎懷疑主義，和肆意的虛無主義更是遠遠扯不上關係。大多數物理學家已經確信，廣義相對論並不是引力的最終定論。這是因為該理論主要應用在恆星和星系的規模，和量子理論沒有交集。量子理論是現代物理學的另一塊基石，針對的是原子和亞原子粒子級別的微觀世界。科學家們覺得，這兩個基本理論的依託是一個量子引力理論，廣義相對論和常規量子理論是它的絕佳近似值，這就像艾薩克·牛頓在17世紀後期提出的萬有引力理論，除某些極端情況外，應用起來通常都沒問題。

科學家的希望是，如果能找到廣義相對論站不住腳的一些黑暗角落——這有可能是因為它描述的引力場如此強大——那麼我們或許會發現它欠缺了哪些成分，而這可能會指明通向量子引力理論的道路。
廣義相對論不僅僅是愛因斯坦最後一個宏偉想法，而且可以說是他最偉大的構想。他的「奇蹟年」通常被認為是1905年，這一年他開始構想量子理論，並提出了狹義相對論，描述了接近光速的運動導致的時空扭曲。廣義相對論則描繪了更加廣闊的畫面，探討了變速運動，比如物體在進入引力場時出現的加速。根據愛因斯坦解釋，引力可以看成是由於質量的存在，時間和空間結構中出現的彎曲。這也扭曲了時間：與沒有引力場的空間相比，時鐘在一個強大的引力場中走得慢一些。利用在空間衛星上極其精確的時鐘，科學家們徹底證實了這個預測的正確性。事實上，GPS系統必須考慮到這種影響，來調整自己的時鐘。
愛因斯坦1915年向普魯士科學院(Prussian Academy of Sciences)提交了廣義相對論的論文，不過正式發表是在第二年。該理論還預測，強大的引力場會導致光的彎曲。在1919年，英國天文學家亞瑟·愛丁頓(Arthur Eddington)通過仔細觀察一次日全食中一些恆星的位置，證實了這一預測，這些恆星的光線會通過臨近太陽的區域。愛因斯坦自此成為國際名人。當他在1931年與查理·卓別林(Charlie Chaplin)見面時，據說卓別林對他說，公眾為他們兩人喝彩，是因為每個人都理解自己的電影，但沒有一個人理解愛因斯坦的理論。
廣義相對論預言，一些燃料耗盡的恆星將因自身引力而崩塌。它們被稱為中子星，其密度可能會變得非常之大，直徑只有幾英里，但一小勺就有100億噸。或者可能會無限地崩塌下去，變成「奇點」，也就是一個黑洞，其巨大引力場甚至連光都無法逃逸，因為周圍的空間太過彎曲，光會直接轉彎回到原處。

自那之後，天文學家發現了很多中子星：有些被稱為脈衝星，它們旋轉運動，從磁極發射出強烈的電波，發射和停止存在著精準的規律性。黑洞只能通過X射線和熱氣體散發的其他輻射被間接看到，黑洞被這些熱氣體包圍著，並將它們吸入。但是天體物理學家堅信黑洞是存在的。
雖然牛頓的引力理論基本上足以描述太陽系的運動，但對於密度極大的物體，比如脈衝星和黑洞，廣義相對論就不可或缺了。這也是用天文研究檢驗這個理論的局限的地方。去年在弗吉尼亞州夏洛茨維爾，國家射電天文台(National Radio Astronomy Observatory)的天文學家發現了一顆脈衝星，繞著它運動的另外兩顆縮小的恆星被稱為白矮星，而這一現象是前所未見的。在這種情況下，有兩個星體在第三個的引力場中運動，如果在白矮星繞脈衝星運動的時候，非常細緻地測量它們對脈衝星電波發射規律的影響，應該可以檢驗廣義相對論的核心支柱之一「強等效原理」。該團隊希望今年開展這項研究。
但最引人注目的廣義相對論檢驗是對引力波的尋找。該理論預測，一些非常龐大的星體，比如超新星（爆炸的恆星）或者被另一顆恆星圍繞盤旋的脈衝星（脈衝雙星），和它們有關的天體物理過程應該在時空中激發漣漪，像波一樣向外輻射。第一個脈衝雙星是在1974年發現的，科學家假設兩個星體輻射了引力波，因而損耗了能量，計算出了它們靠攏的速率，我們現在已經知道，它們確實在以這個速率慢慢靠攏。
不過，真正的目標是，當這些波經過我們的星球時，直接從它們導致的微小空間扭曲中看到它們。引力波探測器讓激光在長兩公里、擺成L形的干涉臂上來回反射，從而對這種微小收縮或擴張進行測量。目前世界上許多台引力波探測器，其中兩台——美國的LIGO，在路易斯安那州和華盛頓有兩個觀察站；以及歐洲的VIRGO，位於義大利——剛剛對靈敏性進行了升級，它們都將在2015年開始尋找引力波。去年9月，歐洲航天局還用太空中的LISA Pathfinder探測器開展了一個試點任務。
幸運的話，2015年就會是我們確認廣義相對論優勢和局限性的一年。但這不會對它受到的推崇產生太大影響。奧地利-瑞士物理學家沃爾夫岡·泡利(Wolfgang Pauli)稱廣義相對論「可能是現有理論中最美的」。很多物理學家（包括愛因斯坦本人）相信它，並不是因為它經過了實驗的檢驗，而是因為他們認為它簡潔優雅。每個在量子引力領域工作的人都知道，簡潔優雅是多麼難以達到。

文/菲利普·鮑爾(Philip Ball)是科普作家，曾任《自然》雜誌編輯。他著有新書《隱形之物：看不見的危險誘惑》(Invisible: The Dangerous Allure of the Unseen)。