挑戰(zhàn)愛(ài)因斯坦

謝懿

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論重塑了引力理論，解決了牛頓理論所不能解決的問(wèn)題。自1905年首次亮相以來(lái)，它已經(jīng)通過(guò)了幾十個(gè)專門為它設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，但物理學(xué)家的挑戰(zhàn)其實(shí)才剛剛開(kāi)始。

到目前為止，我們還只是在牛頓的世界里玩耍。不過(guò)，這一切很快就會(huì)改變。一些大膽的實(shí)驗(yàn)將使用全新的探測(cè)設(shè)備和探測(cè)手段來(lái)研究引力在宇宙中一些最極端的天體周圍是如何起作用的。那里將是廣義相對(duì)論真正要接受考驗(yàn)的地方。

強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)在尋找脈沖星——恒星死亡后留下的致密核心——信號(hào)中的微小變化。很快，全世界的一項(xiàng)共同努力將第一次拍攝到黑洞的樣子。巨大的引力波探測(cè)器還將掃描數(shù)千個(gè)星系，尋找宇宙時(shí)空結(jié)構(gòu)中的微小漣漪。

這些實(shí)驗(yàn)——其中一些是有史以來(lái)最雄心勃勃的設(shè)想——要檢驗(yàn)的是一個(gè)在110年前用鉛筆和紙寫下的理論。不過(guò)，大多數(shù)物理學(xué)家仍然把寶押在愛(ài)因斯坦身上。

引力的脈搏

通過(guò)使用現(xiàn)有的先進(jìn)儀器，天文學(xué)家得以首次研究宇宙中極端的引力事件，尋找檢驗(yàn)相對(duì)論可能的突破點(diǎn)。目前，檢驗(yàn)相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)幾乎都是在太陽(yáng)系中進(jìn)行的，但新的望遠(yuǎn)鏡和探測(cè)器將幫助天文學(xué)家探測(cè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們生活范圍的區(qū)域，探測(cè)在脈沖星周圍高度彎曲的時(shí)空中引力是如何作用的。這些極端的天體會(huì)發(fā)出強(qiáng)勁的輻射波束，像旋轉(zhuǎn)的宇宙燈塔一樣掃過(guò)天空，其規(guī)律性

可以和地球上最好的時(shí)鐘相媲美。脈沖星極其致密，一顆質(zhì)量與太陽(yáng)相當(dāng)?shù)拿}沖星的體積只相當(dāng)于一個(gè)直徑10千米左右的球體。

迄今，對(duì)廣義相對(duì)論最知名的檢驗(yàn)之一便來(lái)自一對(duì)被稱為PSR B1913+16的脈沖星。也被稱為赫爾斯-泰勒雙脈沖星，以它們的發(fā)現(xiàn)者是拉塞爾·赫爾斯（Russell Hulse）和約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）命名。因?yàn)檫@項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，他們獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。愛(ài)因斯坦預(yù)言，像脈沖星這樣的致密天體，如果相互繞轉(zhuǎn)的話，會(huì)在時(shí)空中泛起漣漪，就像湖中的水波。這些時(shí)空漣漪被稱為引力波，它們的波動(dòng)十分微小，一道穿過(guò)地球的引力波對(duì)我們的拉伸作用還不到一個(gè)質(zhì)子的直徑。

根據(jù)廣義相對(duì)論，隨著時(shí)間的推移，輻射出的引力波會(huì)帶走這個(gè)雙星系統(tǒng)的能量，使得這兩顆脈沖星盤旋著相互靠近。在研究它們的30年中，赫爾斯-泰勒雙脈沖星彼此靠近的速率完全符合愛(ài)因斯坦的預(yù)言。

從1974年起到今天，天文學(xué)家已經(jīng)在銀河系中發(fā)現(xiàn)了數(shù)千顆脈沖星。最近發(fā)現(xiàn)的一顆脈沖星PSR J0337+1715具有極不尋常的軌道，它和兩顆白矮星組成了一個(gè)三星系統(tǒng)，這可以幫助物理學(xué)家檢驗(yàn)廣義相對(duì)論的另一個(gè)預(yù)言——等效原理。該原理認(rèn)為，引力會(huì)以相同的速率加速所有物體，不論其密度和成分如何。

當(dāng)恒星坍縮成一個(gè)超高密度的天體——例如脈沖星或黑洞——時(shí)，它的一些物質(zhì)會(huì)轉(zhuǎn)變成引力結(jié)合能。愛(ài)因斯坦的理論預(yù)言，這些能量應(yīng)該會(huì)和物質(zhì)一樣受到相同的引力作用。這意味著，上述三星系統(tǒng)中的脈沖星及其近鄰白矮星會(huì)以速率被該系統(tǒng)中的第三個(gè)天體（另一顆白矮星）吸引。如果并非如此，那脈沖星的軌道就會(huì)被擾動(dòng)，通過(guò)測(cè)量其發(fā)出的脈沖到達(dá)地球的時(shí)間可以探測(cè)這一變化。科學(xué)家希望能通過(guò)這種方式檢驗(yàn)強(qiáng)等效原理是否成立。其結(jié)果將會(huì)比以往得到的精確20倍，甚至可能是100倍或更高。

這些結(jié)果預(yù)計(jì)很快就會(huì)問(wèn)世，但科學(xué)家對(duì)愛(ài)因斯坦很有信心，廣義相對(duì)論極有可能通過(guò)這一測(cè)試。如果不去嘗試，那永遠(yuǎn)也不會(huì)知道這個(gè)理論是否真的會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

黑洞無(wú)毛

脈沖星無(wú)疑是致密的天體，但引力最強(qiáng)大的天體還要數(shù)黑洞。天文學(xué)家正在嘗試檢驗(yàn)廣義相對(duì)論最極端的預(yù)言，即質(zhì)量足夠大的恒星最終會(huì)在其自身引力的作用下坍縮成黑洞。盡管幾十年來(lái)的數(shù)據(jù)都暗示了黑洞的存在，但所有的證據(jù)都是間接的，建立在對(duì)光線或者其他天體的觀測(cè)基礎(chǔ)之上。黑洞本身還從未被直接觀測(cè)到過(guò)。

眼見(jiàn)為實(shí)。天文學(xué)家希望能直接拍攝到銀河系中心黑洞人馬座A*的照片，它距離我們26 000光年。要做到這一點(diǎn)，需要使用事件視界望遠(yuǎn)鏡。它能綜合遍布全球的10多架射電望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，應(yīng)該能夠據(jù)此觀測(cè)到人馬座A*的邊緣。天文學(xué)家懷疑，該黑洞會(huì)在射電背景中投下一個(gè)圓形的影子。

除了證明黑洞存在，事件視界望遠(yuǎn)鏡還會(huì)確認(rèn)或挑戰(zhàn)相對(duì)論的另一個(gè)關(guān)鍵論斷——黑洞無(wú)毛定理。黑洞無(wú)毛意味著所有黑洞只需要三個(gè)物理量即可描述：質(zhì)量、自轉(zhuǎn)和電荷。任何“毛” ——即進(jìn)入黑洞的物質(zhì)——本身攜帶的信息，例如化學(xué)成分、分子結(jié)構(gòu)，甚至形狀和大小，都會(huì)永遠(yuǎn)消失在黑洞的事件視界之內(nèi)。

科學(xué)家計(jì)劃使用事件視界望遠(yuǎn)鏡來(lái)研究人馬座A*所投影子的大小和形狀。廣義相對(duì)論的無(wú)毛定理預(yù)言了一個(gè)幾乎完美的圓形陰影，而在其他理論中，它呈橢圓形。同樣是為了檢驗(yàn)這一定理，還有天文學(xué)家提出可以跟蹤人馬座A*近旁恒星及其附近脈沖星的運(yùn)動(dòng)。黑洞的“毛”會(huì)改變黑洞附近這些天體的運(yùn)動(dòng)，在未來(lái)十年內(nèi)投入使用的望遠(yuǎn)鏡可以探測(cè)到這些變化。

如果發(fā)現(xiàn)無(wú)毛定理存在問(wèn)題，那無(wú)論對(duì)廣義相對(duì)論還是對(duì)黑洞理論都是一個(gè)重大的打擊。這將是一個(gè)驚喜，意想不到的事情或早或晚總是會(huì)出現(xiàn)。在天文學(xué)和物理學(xué)中，每當(dāng)我們打開(kāi)一扇通往此前未知世界的窗口，總會(huì)發(fā)現(xiàn)一些意料之外的東西。

凝視引力

最后，還有一 組實(shí)驗(yàn)會(huì)來(lái)檢驗(yàn)相對(duì)論，它們并不采集、分析來(lái)自天體的輻射，而是觀測(cè)引力本身。激光干涉引力波天文臺(tái)和室女座引力波天文臺(tái)將會(huì)搜尋這些由數(shù)億光年遠(yuǎn)的星系發(fā)出的引力波。

在這些天文臺(tái)巨大的L形干涉臂中，激光會(huì)在幾千米長(zhǎng)的管道中來(lái)回穿梭，往返于探測(cè)器和反射鏡之間。這些天文臺(tái)都經(jīng)過(guò)精密的調(diào)試，可以探測(cè)到引力波對(duì)其反射鏡造成的輕微推拉作用，其幅度僅相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)子的千分之一。這些微小的擾動(dòng)會(huì)在探測(cè)器接收到的激光中留下可以識(shí)別的圖案，物理學(xué)家可以通過(guò)分析數(shù)據(jù)來(lái)尋找對(duì)應(yīng)的天體系統(tǒng)。激光干涉引力波天文臺(tái)由兩個(gè)位于美國(guó)的獨(dú)立探測(cè)器組成，于2002年投入使用。室女座引力波天文臺(tái)位于意大利，分別在2007年和2009年至2010年間與前者開(kāi)展了聯(lián)合觀測(cè)。所有這些嘗試都沒(méi)有探測(cè)到引力波。這是一個(gè)令人失望但并不

意外的結(jié)果。激光干涉引力波天文臺(tái)的兩個(gè)探測(cè)器目前正在進(jìn)行重要的升級(jí)，這將使它們能夠探測(cè)比此前大1000倍的區(qū)域。到2018年，它們將具有足夠的靈敏度來(lái)探測(cè)源于數(shù)萬(wàn)個(gè)星系的引力波。

這些引力波數(shù)據(jù)將檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦有關(guān)黑洞自轉(zhuǎn)速度以及黑洞或中子星間相互碰撞的預(yù)言。這些事件極其劇烈，就能量而言，兩個(gè)黑洞并合的最終階段釋放的能量，可以超過(guò)其所在星系中所有恒星能量的總和。如果引力波數(shù)據(jù)中存在無(wú)法解釋的信號(hào)，那就會(huì)迫使廣義相對(duì)論做出修改。當(dāng)然，這并非科學(xué)家希望看到的。

無(wú)往不利

愛(ài)因斯坦本人從未真正懷疑過(guò)廣義相對(duì)論。當(dāng)被問(wèn)及一個(gè)早期的實(shí)驗(yàn)否定其理論的可能性時(shí)，他回答說(shuō)：“那我就對(duì)親愛(ài)的上帝感到抱歉。這個(gè)理論（廣義相對(duì)論）無(wú)論如何都是正確的?！备鶕?jù)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的結(jié)果，今天的物理學(xué)家都認(rèn)同這一點(diǎn)。如果廣義相對(duì)論能在未來(lái)的這些實(shí)驗(yàn)中勝出，并不會(huì)讓人感到驚訝。

如果廣義相對(duì)論真的出現(xiàn)了問(wèn)題，那也是令人興奮的，但這種興奮喜憂參半。物理學(xué)家將不得不與他們手中最美麗的理論之一告別。畢竟，廣義相對(duì)論僅用少量的假設(shè)即可提供對(duì)宇宙的深刻認(rèn)識(shí)，著實(shí)是一個(gè)優(yōu)雅的理論。