挑戰愛因斯坦

謝懿

愛因斯坦的廣義相對論重塑了引力理論，解決了牛頓理論所不能解決的問題。自1905年首次亮相以來，它已經通過了幾十個專門為它設計的實驗檢驗，但物理學家的挑戰其實才剛剛開始。

到目前為止，我們還只是在牛頓的世界里玩耍。不過，這一切很快就會改變。一些大膽的實驗將使用全新的探測設備和探測手段來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。那里將是廣義相對論真正要接受考驗的地方。

強大的望遠鏡已經在尋找脈沖星——恒星死亡后留下的致密核心——信號中的微小變化。很快，全世界的一項共同努力將第一次拍攝到黑洞的樣子。巨大的引力波探測器還將掃描數千個星系，尋找宇宙時空結構中的微小漣漪。

這些實驗——其中一些是有史以來最雄心勃勃的設想——要檢驗的是一個在110年前用鉛筆和紙寫下的理論。不過，大多數物理學家仍然把寶押在愛因斯坦身上。

引力的脈搏

通過使用現有的先進儀器，天文學家得以首次研究宇宙中極端的引力事件，尋找檢驗相對論可能的突破點。目前，檢驗相對論的實驗幾乎都是在太陽系中進行的，但新的望遠鏡和探測器將幫助天文學家探測遠遠超出我們生活范圍的區域，探測在脈沖星周圍高度彎曲的時空中引力是如何作用的。這些極端的天體會發出強勁的輻射波束，像旋轉的宇宙燈塔一樣掃過天空，其規律性

可以和地球上最好的時鐘相媲美。脈沖星極其致密，一顆質量與太陽相當的脈沖星的體積只相當于一個直徑10千米左右的球體。

迄今，對廣義相對論最知名的檢驗之一便來自一對被稱為PSR B1913+16的脈沖星。也被稱為赫爾斯-泰勒雙脈沖星，以它們的發現者是拉塞爾·赫爾斯（Russell Hulse）和約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）命名。因為這項發現，他們獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。愛因斯坦預言，像脈沖星這樣的致密天體，如果相互繞轉的話，會在時空中泛起漣漪，就像湖中的水波。這些時空漣漪被稱為引力波，它們的波動十分微小，一道穿過地球的引力波對我們的拉伸作用還不到一個質子的直徑。

根據廣義相對論，隨著時間的推移，輻射出的引力波會帶走這個雙星系統的能量，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因斯坦的預言。

從1974年起到今天，天文學家已經在銀河系中發現了數千顆脈沖星。最近發現的一顆脈沖星PSR J0337+1715具有極不尋常的軌道，它和兩顆白矮星組成了一個三星系統，這可以幫助物理學家檢驗廣義相對論的另一個預言——等效原理。該原理認為，引力會以相同的速率加速所有物體，不論其密度和成分如何。

當恒星坍縮成一個超高密度的天體——例如脈沖星或黑洞——時，它的一些物質會轉變成引力結合能。愛因斯坦的理論預言，這些能量應該會和物質一樣受到相同的引力作用。這意味著，上述三星系統中的脈沖星及其近鄰白矮星會以速率被該系統中的第三個天體（另一顆白矮星）吸引。如果并非如此，那脈沖星的軌道就會被擾動，通過測量其發出的脈沖到達地球的時間可以探測這一變化。科學家希望能通過這種方式檢驗強等效原理是否成立。其結果將會比以往得到的精確20倍，甚至可能是100倍或更高。

這些結果預計很快就會問世，但科學家對愛因斯坦很有信心，廣義相對論極有可能通過這一測試。如果不去嘗試，那永遠也不會知道這個理論是否真的會出現問題。

黑洞無毛

脈沖星無疑是致密的天體，但引力最強大的天體還要數黑洞。天文學家正在嘗試檢驗廣義相對論最極端的預言，即質量足夠大的恒星最終會在其自身引力的作用下坍縮成黑洞。盡管幾十年來的數據都暗示了黑洞的存在，但所有的證據都是間接的，建立在對光線或者其他天體的觀測基礎之上。黑洞本身還從未被直接觀測到過。

眼見為實。天文學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，需要使用事件視界望遠鏡。它能綜合遍布全球的10多架射電望遠鏡的數據，應該能夠據此觀測到人馬座A*的邊緣。天文學家懷疑，該黑洞會在射電背景中投下一個圓形的影子。

除了證明黑洞存在，事件視界望遠鏡還會確認或挑戰相對論的另一個關鍵論斷——黑洞無毛定理。黑洞無毛意味著所有黑洞只需要三個物理量即可描述：質量、自轉和電荷。任何“毛” ——即進入黑洞的物質——本身攜帶的信息，例如化學成分、分子結構，甚至形狀和大小，都會永遠消失在黑洞的事件視界之內。

科學家計劃使用事件視界望遠鏡來研究人馬座A*所投影子的大小和形狀。廣義相對論的無毛定理預言了一個幾乎完美的圓形陰影，而在其他理論中，它呈橢圓形。同樣是為了檢驗這一定理，還有天文學家提出可以跟蹤人馬座A*近旁恒星及其附近脈沖星的運動。黑洞的“毛”會改變黑洞附近這些天體的運動，在未來十年內投入使用的望遠鏡可以探測到這些變化。

如果發現無毛定理存在問題，那無論對廣義相對論還是對黑洞理論都是一個重大的打擊。這將是一個驚喜，意想不到的事情或早或晚總是會出現。在天文學和物理學中，每當我們打開一扇通往此前未知世界的窗口，總會發現一些意料之外的東西。

凝視引力

最后，還有一 組實驗會來檢驗相對論，它們并不采集、分析來自天體的輻射，而是觀測引力本身。激光干涉引力波天文臺和室女座引力波天文臺將會搜尋這些由數億光年遠的星系發出的引力波。

在這些天文臺巨大的L形干涉臂中，激光會在幾千米長的管道中來回穿梭，往返于探測器和反射鏡之間。這些天文臺都經過精密的調試，可以探測到引力波對其反射鏡造成的輕微推拉作用，其幅度僅相當于一個質子的千分之一。這些微小的擾動會在探測器接收到的激光中留下可以識別的圖案，物理學家可以通過分析數據來尋找對應的天體系統。激光干涉引力波天文臺由兩個位于美國的獨立探測器組成，于2002年投入使用。室女座引力波天文臺位于意大利，分別在2007年和2009年至2010年間與前者開展了聯合觀測。所有這些嘗試都沒有探測到引力波。這是一個令人失望但并不

意外的結果。激光干涉引力波天文臺的兩個探測器目前正在進行重要的升級，這將使它們能夠探測比此前大1000倍的區域。到2018年，它們將具有足夠的靈敏度來探測源于數萬個星系的引力波。

這些引力波數據將檢驗愛因斯坦有關黑洞自轉速度以及黑洞或中子星間相互碰撞的預言。這些事件極其劇烈，就能量而言，兩個黑洞并合的最終階段釋放的能量，可以超過其所在星系中所有恒星能量的總和。如果引力波數據中存在無法解釋的信號，那就會迫使廣義相對論做出修改。當然，這并非科學家希望看到的。

無往不利

愛因斯坦本人從未真正懷疑過廣義相對論。當被問及一個早期的實驗否定其理論的可能性時，他回答說：“那我就對親愛的上帝感到抱歉。這個理論（廣義相對論）無論如何都是正確的。”根據實驗檢驗的結果，今天的物理學家都認同這一點。如果廣義相對論能在未來的這些實驗中勝出，并不會讓人感到驚訝。

如果廣義相對論真的出現了問題，那也是令人興奮的，但這種興奮喜憂參半。物理學家將不得不與他們手中最美麗的理論之一告別。畢竟，廣義相對論僅用少量的假設即可提供對宇宙的深刻認識，著實是一個優雅的理論。