大胆实验将检验广义相对论

阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论重新定义了引力，并解决了牛顿理论无法解决的问题。自1915年问世以来，它通过了数十次实验检验。但物理学家们才刚刚开始。

蒙大拿州立大学的物理学家 Neil Cornish 说：“到目前为止，我们还只是在牛顿的世界里摸索。”然而，这种情况很快就会改变，因为一些借助前所未有探测范围的望远镜——有时甚至是全新的数据收集方式——而实现的大胆实验，即将研究引力在宇宙中最极端物体周围的运行方式。

Cornish 说：“这才是广义相对论真正发挥作用的地方。”强大的望远镜已经开始监测被称为脉冲星的恒星残骸的微小异常。一项全球性努力将首次拍摄黑洞的照片。巨大的引力波探测器将扫描数千个星系，寻找宇宙时空结构中微小的涟漪。

这些实验——其中一些是有史以来最雄心勃勃的——都将检验一个世纪前一位人士用笔和纸推导出的理论。然而，大多数物理学家仍然押注于这位人士。

给引力把脉

借助当今先进的仪器，天文学家们首次可以在宇宙的引力极端区域寻找相对论可能的断裂点。新的望远镜和探测器正在帮助天文学家们远远超越太阳系进行观测，而到目前为止，几乎所有的检验都在太阳系内进行。它们旨在探测引力在被称为脉冲星的超致密塌缩恒星附近高度扭曲的时空区域中是如何运行的。这些极端物体通过强烈的辐射束来宣告它们的存在，它们像宇宙灯塔一样扫过天空，其规律性可与地球上最好的时钟媲美。它们的密度极高，以至于一颗相当于太阳质量的脉冲星将被压缩成直径约为曼哈顿长度的球体。

迄今为止，最著名的广义相对论检验之一涉及一对脉冲星，其技术名称为 PSR B1913+16，但更广为人知的是赫尔斯-泰勒双星脉冲星（以因其发现而获得1993年诺贝尔物理学奖的 Russell Hulse 和 Joseph Taylor 命名）。爱因斯坦预测，当脉冲星等致密天体相互绕转时，它们会像湖面上的涟漪一样在时空中产生涟漪。这些被称为引力波的波动如此微小，以至于一个穿过地球的引力波会使我们震动的幅度远远小于一个质子的直径。然而，随着时间的推移，辐射出去的引力波会消耗双星系统的能量，导致天体相互螺旋靠近。在30年的研究周期中，赫尔斯-泰勒脉冲星相互靠近的速度与爱因斯坦的预测完全一致。

自1974年 Hulse 和 Taylor 偶然发现他们的脉冲星以来，天文学家们已经在星系中发现了数千个。其中一颗最近发现的脉冲星，其轨道非常奇特，涉及另外两颗被称为白矮星的恒星，现在可以帮助物理学家检验广义相对论的另一个不同预测。美国国家射电天文台的 Scott Ransom 和他的同事们正在使用西弗吉尼亚州的格林班克望远镜来追踪这颗编号为 PSR J0337+1715 的奇特脉冲星的旋转。该系统的独特几何形状将使科学家能够检验广义相对论的强等效原理，该原理指出，引力会以相同的速率加速所有物体，无论其密度如何。

当恒星塌缩成脉冲星或黑洞等超致密天体时，它的一些物质会转化为所谓的引力结合能。（普通恒星或白矮星的一部分也以这种能量存在，但比例小得多。）爱因斯坦的理论预测，这种能量应该受到与物质相同的引力吸引，这意味着 Ransom 的脉冲星以及在其附近绕转的白矮星将以相同的速率被吸引到系统的第三颗恒星。相反，如果速率有所不同，脉冲星的轨道就会变形，Ransom 和他的同事们就可以利用脉冲的时间来探测这种变形。通过这种方式，研究人员预计将检验强等效原理是否成立。其结果将比以往精确20倍——可能100倍甚至更多。

Ransom 预计在2015年中期能得到结果，但他并不赌爱因斯坦会错。“极有可能，广义相对论也会通过这一关，”他说。“但除非我们不断尝试，否则我们永远找不到相对论有什么不对的地方。”

赤裸的黑洞

虽然脉冲星无疑是致密天体，但真正的引力巨头是黑洞。亚利桑那大学的天体物理学家 Dimitrios Psaltis 正在帮助检验广义相对论最极端的预测之一：足够大的恒星最终会因自身引力而塌缩形成这些密度无限大的天体。Psaltis 说，尽管有数十年的数据暗示了黑洞的存在，但所有证据都是间接的，基于对其对光或其他物体影响的观测。黑洞本身尚未被直接观测到。

眼见为实，所以 Psaltis 和他的同事们希望直接拍下人马座 A* 的照片，这是天文学家推测潜伏在我们银河系中心的一颗巨大的黑洞。为此，研究人员将使用事件视界望远镜（EHT）——这是一个由分布在全球各地的30多个射电望远镜和望远镜阵列组成的组合——它应该能够一直看到距离我们26,000光年的人马座 A* 的边缘。Psaltis 和他的同事们推测，黑洞将在射电波背景中投射出一个圆形的阴影。

除了证明黑洞的存在，Psaltis 说 EHT 还应该能证实或挑战相对论的另一个关键原则——无毛定理。著名的理论物理学家 John Archibald Wheeler 曾戏称“黑洞没有毛发”，意思是它们除了三个关键的可区分特征外，都是相同的：质量、旋转和消失得近乎为零的电荷。任何“毛发”——基本上，任何关于进入黑洞的物体的特定信息，例如物体的化学成分或分子结构，甚至只是形状和大小——都将永远丢失在黑洞的事件视界内。

利用 EHT，Psaltis 和他的团队计划研究人马座 A* 投射的阴影的大小和形状。广义相对论的无毛定理预测一个近乎完美的圆形阴影；对广义相对论的修改，如果黑洞保留其“毛发”，可能会产生一个椭圆形的阴影。佛罗里达大学的物理学家 Clifford Will 也提出了一个检验方法，通过追踪人马座 A* 附近普通恒星的运动来探测该定理；德国马克斯·普朗克射电天文学研究所的 Norbert Wex 和 Michael Kramer 希望用一个或多个脉冲星做同样的事情，尽管他们首先需要找到一个足够近的脉冲星。黑洞毛发会改变这些物体在黑洞附近的轨道，而这些变化可以通过未来十年内投入使用的新一代望远镜探测到。

Psaltis 说：“如果我们发现无毛定理不成立，那将是对该理论或对黑洞的重大打击。”他承认，这将令人惊讶，但迟早会有意想不到的事情出现。“在引力领域，和在物理学的绝大多数领域一样，每当我们打开一扇从未 vistazo 的窗户，我们总能发现惊喜。”

凝视引力

最后，有一系列实验将检验相对论，但不是通过收集和分析宇宙天体的光，而是通过观察引力本身。激光干涉引力波天文台（LIGO）和与之配套的 Virgo 实验将搜寻来自数亿光年外星系的宇宙涟漪，即引力波。

在天文台巨大的 L 形设施中，激光穿过数英里长的隧道，在镜子之间来回反射并进入探测器。这些天文台的调谐精度极高，以至于它们能够感知到引力波对镜子产生的轻微推拉——其差异相当于质子宽度的千分之一。当探测器收集激光时，这些微小的牵引会产生可识别的模式。然后，物理学家可以分析这些数据，以寻找引发这些涟漪的遥远事件的线索。

自2002年以来，LIGO 一直在路易斯安那州的利文斯顿和华盛顿州的汉福德运行探测器；意大利卡西纳的 Virgo 探测器分别在2007年和2009-2010年与 LIGO 探测器联网进行了数据采集。所有这些努力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。利文斯顿和汉福德天文台目前都完成了大规模的升级改造，这将使它们能够扫描比以前多1000倍的空间。根据物理学家兼 LIGO 发言人 Gabriela Gonzalez 的说法，到2018年，它们的灵敏度足以探测到源自数万甚至数十万个星系的引力波。

这些波的数据将检验爱因斯坦关于黑洞旋转速度以及它们与中子星碰撞和相互碰撞时会发生什么的预测。这些事件将是戏剧性的：蒙大拿州立大学研究如何理解即将从 LIGO、Virgo 和其他引力波实验中涌入的数据的 Cornish 说，就能量而言，两个合并的黑洞在其最后时刻的能量应该“超过宇宙中所有星系的每一颗恒星”。Gonzalez 说，数据中的意外信号可能会迫使对该理论进行修改，但她补充说，“我不认为我们会证明相对论是错误的。”

仍然押注爱因斯坦

爱因斯坦从未真正怀疑过广义相对论。当被问及早期检验可能推翻他的理论的可能性时，他回答说：“那我将为上帝感到惋惜。反正理论是正确的。”今天的大多数物理学家都同意这一点，这基于相对论的过往记录。佛罗里达大学的 Will 说：“我个人认为，如果广义相对论能经受住所有这些考验，我不会感到惊讶。”

如果相对论真的被推翻，那将是令人兴奋的，但这种兴奋将是苦乐参半的。Cornish 说，物理学家们将不得不放弃他们最美丽的理论之一——一个基于一套极其经济的起始假设，却提供了对宇宙的非凡深刻见解的理论。“这确实是一个令人难以置信的优雅的理论。”

[本文最初以“Defying Gravity”为题印刷。]