宇宙尺度上爱因斯坦是否依然正确？

Pedro Ferreira　文　Shea　编译

我们正处于能放眼整个宇宙的边缘，这将帮助我们超越爱因斯坦。

随着爱因斯坦广义相对论问世一百周年的临近，一场悄无声息的革命正在进行。全世界的许多科学家正试图在宇宙的尺度上来检验广义相对论是否成立。到目前为止，这些检验都还没有明确的结果，然而却引发了对爱因斯坦这一理论的新认识。检验广义相对论也正在迅速地成为一些最强大的卫星和地面实验的核心目标之一。

爱因斯坦的广义相对论一直表现良好。但是如果它错了会怎么样？不要误会，广义相对论在解释许多不同的现象上已取得了惊人的成功！它使得我们可以以超高的精度计算太阳系所有行星的轨道，它也令我们可以计算出恒星和行星周围弯曲的时空对光线的偏折。但我们能把广义相对论推及到遥远的宇宙并以此来预言宇宙的演化吗？

令人惊讶的是，自1915年爱因斯坦首次提出广义相对论以来，它一直保持着原样。它的核心是对引力的认识。爱因斯坦把它向前推进了一步，认为引力自身并不存在。相反，我们所感觉到的引力是时空几何的结果。如果我们在空间中放置一个物体——一颗行星或一颗恒星，又或者是任何有质量的物体——它就会使得时空弯曲。爱因斯坦的广义相对论给了我们一个唯一而精确的法则来计算这一弯曲的程度。

时至今日，我们仍在使用这些法则。从黑洞到大爆炸，长期以来我们也一直在挖掘它们不同的内涵和预言。最早的预言之一便是宇宙膨胀。遥远的星系正在以每秒几万或者几十万千米的速度离我们而去，同时它们也在彼此远离。1929年宇宙的膨胀被埃德温·哈勃（Edwin Hubble）证实，自此不断完善的天文观测越来越精确地向我们揭示出了宇宙膨胀的历史。

但问题来了。如果广义相对论是正确的，那它还需要能解释其他一些东西。因为天文观测发现，宇宙不仅在膨胀，事实上它还在加速膨胀。这并没有与相对论不一致：爱因斯坦的理论认为宇宙中还有一种能把空间撕开的“暗”能量形式存在，这一占据宇宙总质能四分之三的部分便构成了难以捉摸的暗能量。

[图片说明]：哈勃（左二）、爱因斯坦（右三）等人的合影。

问题是我们目前的观测还没能发现暗能量是什么以及它在宇宙的不同历史时期都做了什么。新的空间探测任务将会针对这些问题。但是，除非我们已经了解了这些暗能量的本质，否则它就有可能是我们对引力的认识中隐藏着的某些根本错误。

那么这是不是说我们已经抵达爱因斯坦远大洞察力的极限了呢？或者说我们是不是需要新的引力理论呢？这并不是第一次对广义相对论的精度和完整性提出怀疑：诸如保罗·狄拉克（Paul Dirac）和安德烈·萨哈罗夫（Andrei Sakharov）这样的杰出人物就曾质疑过它。

虽然有太多的引力理论可选，但爱因斯坦的理论仍最受青睐。到目前为止，它仍是描述时空行为最简洁和最优雅的方法。此外，暗能量也似乎和我们在过去的几十年中所积累起的大量宇宙学数据相符。

[图片说明]：2微米巡天所观测到的宇宙大尺度结构。版权：T. Jarrett/IPAC/Caltech。

检验的核心是详细研究大而复杂结构是如何在宇宙中演化的。目前的图像是，它们主要是由引力坍缩所驱动的。引力坍缩自身可以用广义相对论来解释：在星系较多的区域里，空间会弯曲得厉害，把更多的星系拉入其中，导致光和能量的大量聚集，以星系团和超星系团的形式出现。与之相反的是，空旷的区域会倾向于变得更加空空荡荡，导致宇宙巨洞的出现。这幅空满区域交错的图景便构成了“宇宙之网”。

在过去的几十年里我们对宇宙之网的认识有了爆炸式的飞跃。类似2度视场红移巡天和斯隆数字巡天这样的大型星系巡天已经构建出了宇宙结构的详图，仔细地识别出了星系团、壁结构、纤维结构以及巨洞在我们周围是如何分布的。此外，由威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和赫歇尔空间望远镜所提供的其他波段的宇宙图景也显示了宇宙在不同时间上的不同模样。因此，这使得我们可以看到引力坍缩在宇宙历史的不同时期是如何发挥作用的。

如果宇宙之网背后的主要推手是引力，那么毫无意外它结构和历史的细节也许可以用来搜寻广义相对论可能存在的偏差。通过研究宇宙之网演化的速度以及探测它们的时空对光线的扭曲作用，就应该有可能揭示出引力中存在的微小差异。

2008年一个意大利的天文学家小组迈出了关键的第一步。他们挑选出了10,000个位于宇宙年龄差不多只有目前一半处的暗弱星系，研究它们之间的相对运动。该小组由此计算出了在那个时期引力坍缩发生的速度，随后以此证明爱因斯坦理论的一些变体无法适用。这一研究说明，对宇宙之网的详尽研究可以极为有效地检验引力理论。

[图片说明]：宇宙之网的超级计算机模拟结果。版权：The Millennium Simulation Project。

与仅仅考虑了星系的意大利小组不同，美国的这个小组综合了一系列的观测。他们囊括了WMAP对宇宙背景辐射的测量、随宇宙一起膨胀的遥远明亮超新星和来自遥远星系被前景宇宙之网扭曲的光线。

有意思的是，他们的初步分析发现了和爱因斯坦广义相对论存在偏差的证据。然而，进一步的研究显示，爱因斯坦的理论仍十分奏效，和所有的宇宙学测量都相符。这一研究清楚地告诉我们，大量的高质量观测数据能使得我们对爱因斯坦的广义相对论施加更强的限制或者发现它的问题。

在此之后，又有许多其他的天文学家跟进。其中一个继续把这个想法向前推进，使用了一个专门针对广义相对论做出修改的理论。他们发现爱因斯坦的理论再次胜出。虽然仍允许大量的引力理论存在，但他们排除了一类早先没有被检验过的其他引力理论。

最近有两项使用更多数据的研究也得到了相同的结果。广义相对论仍是引力理论中的领跑者。不过它领先的并不多。虽然它漂亮地通过了这些检验，但我们并不能排除所有其他的引力理论。就像物理学的其他领域，爱因斯坦的理论也可以被视作是大量可能性中的一种。在今天的实验检测下，我们正在寻找它与现实之间究竟可能偏差多少。

就目前而言，结果微弱地倾向于广义相对论。但我们正处于研究宇宙之物理学的转折点上。有史以来第一次我们可以真正地来检验我们最深刻和最基本的理论之一，它将引导并促进宇宙学的发展。

这些对广义相对论的检验也推动了大型的天文项目。欧洲南方天文台的河外星系红移巡天正在确定处于宇宙年龄不足目前一半处100,000个星系的位置。同时，由英国天文学家领导的星系巡天则正在使用全世界的望远镜来观测250,000个星系。根据这些细致的观测就能使我们重建出引力的历史以及它是如何塑造我们宇宙的复杂性的。更雄心勃勃的是欧洲空间局正在酝酿的欧几里得卫星。如果获得批准，它将于2018年左右发射，测量多达十亿个星系的位置，给出一幅令人震惊的宇宙画卷。

随着开始以批判的眼光来审视现代物理学的基石之一，我们已经进入了一个真正激动人心的时代。爱因斯坦的广义相对论几乎成为了宇宙学中所有最新发现的基础，但我们现在可以检验我们的结论是否正确，它在宇宙的最大尺度上是否正确。

取代相对论

英国的理论物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）把他后半生的大部分时间都用在了破解广义相对论的复杂结构上。宇宙中特定数字之间的极端相似性令他着迷，例如为什么可见宇宙的尺度和总能量似乎和地球表面的引力强度有关。对于狄拉克来说，爱因斯坦的广义相对论是不完整的，因为它无法解释这些巧合；他感觉这里也许存在某些超出引力的东西。

所以在1938年他对广义相对论进行了修改。虽然修改之后的理论仍是一个时空理论，但引力的大小会随着地点的不同而改变，这就好像时空结构会根据你所站立的地方而具有不同的硬度。因此，某个特定地点的一颗恒星会以特定的程度来弯曲其周围的时空，而即便是同样的一颗恒星在不同的地方所造成的时空弯曲也会或大或小。

狄拉克所做的在当时鲜有人可为，但却播下了其他引力理论的种子。随后在20世纪60年代一些物理学家继承了他的衣钵。标量-张量理论作为引力理论的一种至今仍在被广为研究。

在20世纪60年代的苏联则酝酿出了完全不同的想法。物理学家安德烈·萨哈罗夫（Andrei Sakharov）猜想在微观尺度上空间和时间会发生比预计的更为严重地弯曲和变形。他的想法很简单：当我们看原子和亚原子尺度的时候，量子物理学会起作用，这意味着没有东西会保持静止。他认为，我们可以在时空本身上使用相同的原理，而且如果我们能在亚原子的尺度上测量它，时空看上去就不会是光滑的，而更像是一团量子泡沫。

萨哈罗夫提出，如果考虑到时空的泡沫属性，爱因斯坦的理论就需要被修改。虽然他关注的仅仅是在小尺度上会发生什么，但在过去的几年中这个想法被用到了所有的尺度上，甚至包括最大的宇宙尺度。

其他的重要发展则是宇宙并不只是3维的想法。虽然它早在20世纪20年代就已经问世，但弦理论又赋予了它新的活力。

2001年有物理学家提出，我们居住在被称为“膜”的3维表面上，而这张膜又嵌在更高维的空间中。我们知道的所有基本力都被束缚膜中，但引力除外，它可以泄露出去。

根据这一图像，广义相对论在太阳系、星系和星系团的尺度上仍是对引力的精确描述，但当我们放眼整个可见宇宙的时候，膜和高维空间错综复杂的相互作用就会严重地影响引力。于是，爱因斯坦的理论在极大的尺度上就要被修改。

内容来自 火流星

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