探索宇宙，寻找爱因斯坦广义相对论的缺陷

对爱因斯坦广义相对论的第一次重大检验是在1919年的一次日蚀中，这张图片来自于一篇科学论文，该论文报道说，来自遥远恒星的光线在太阳的引力作用下发生弯曲，正如爱因斯坦的理论所预测的那样。F.W. Dyson, A.S. Eddington and C. Davidson

一个世纪以前，阿尔伯特·爱因斯坦出了名。

当然，他在物理学家中已经很有名了，但直到1919年11月，他的万有引力理论被证实的消息传出后，全世界才知道了他的名字——这让艾萨克·牛顿的许多粉丝感到沮丧。

《纽约时报》(New York Times)的标题是“天空中所有的光都是歪斜的”。“爱因斯坦理论胜利了，”一个副标题补充道。正如这篇文章所叙述的，在日食期间对太阳附近恒星的观测发现它们的明显位置发生了变化，正如爱因斯坦所预测的那样，牛顿的万有引力定律，被认为是两个多世纪以来不可侵犯的，已经被废除了。

光谱图显示了中子星之间的碰撞所发射出的引力波的上升频率，这为检验爱因斯坦的广义相对论提供了数据。LSC/Alex Nitz

但是，尽管爱因斯坦的理论——广义相对论取得了胜利，物理学家们仍然怀疑它是否有一天会面临与牛顿定律同样的命运，虽然到目前为止，爱因斯坦的引力通过了所有的测试，但没有人确切地知道它是否在任何条件下适用于任何地方。不能保证广义相对论统治着整个宇宙。多年来，已经有人提出了几种对立的理论，以防万一。

在爱因斯坦提出了他的新理论之后，它被忽视了几十年。但在20世纪后半叶，广义相对论成为了宇宙的理论。它的方程描述了宇宙从最初的高密度、热大爆炸开始到现在的快速加速膨胀的膨胀过程。今天，随着科学家们证实了广义相对论中更奇异的预言，包括黑洞和被称为引力波的空间振动，广义相对论已经赢得了越来越多的恶名。

但是广义相对论的一系列成功可能不是无止境的。确实，这个理论(连同自然的其他三种基本力的理论)很好地描述了可观测的宇宙。这种描述包括大量的看不见的物质，即所谓的暗物质，以及一种特殊的排斥力，即暗能量，弥漫整个空间。但是暗物质的存在是基于广义相对论是正确的假设。

“鉴于没有其他(非引力)证据可以证明暗区存在，对证据中的一些基本假设提出质疑是一个常识问题。”主要的假设是广义相对论是万有引力的基础理论。费雷拉指出，如果你不认为广义相对论是正确的，那么“暗区存在的证据可能意味着广义相对论在宇宙尺度上的崩溃”。

换句话说，可以想象如果没有黑暗物质，它存在的明显证据实际上可能是一个错误信号，那么真正的宇宙引力理论与爱因斯坦的理论不同。如果是这样，目前的宇宙图景将不得不被彻底地重新绘制。尽管如此，物理学家仍有充足的理由相信广义相对论的可靠性。首先，它解决了一个困扰天文学家的关于水星的难题：它的轨道与牛顿引力预测的轨道不一致，爱因斯坦在1915年宣布了他的理论，当他能够证明它正确地预测了水星的实际轨道。

爱因斯坦解开水星之谜的关键是把重力看作是空间几何形状的影响(或者从技术上说，是时空的影响，因为他早期的研究表明空间和时间是不可分割的)。爱因斯坦说，引力不是大质量物体相互吸引的结果，而是大质量物体周围时空扭曲的结果。物体的轨道或落入一个巨大的物体取决于它周围的时空弯曲的强度。质量不是对某种吸引力作出反应，而是遵循时空的几何轮廓。

引力作为几何学，导致了1919年日食中被证实的著名预测。爱因斯坦指出，在太阳附近的时空弯曲会导致来自遥远恒星的光在经过附近时发生弯曲，从而改变从地球上看到的恒星的明显位置。1919年5月，英国天体物理学家阿瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)在西非的普林西比岛(Principe)进行了一次日食考察。爱丁顿的团队发现，有几颗恒星的位置改变了爱因斯坦的数学计算，是牛顿定律预测的两倍。当日食小组在1919年11月公布结果时，一则新闻报道宣称他们需要“一种新的宇宙哲学”。

2019年，活动视界望远镜项目(Event Horizon Telescope project)拍摄了第一张黑洞图像，展示了M87星系的核心。这些图像中所显示的黑洞光线扭曲的细节，可能有助于检验爱因斯坦引力理论的正确性。EHT Collaboration

在之后的一个世纪里，爱因斯坦的引力通过了许多额外的测试，比如2016年报道的壮观的引力波探测，但不可能在所有条件下都检验这个理论。长期以来，专家们一直怀疑，在质量密度极高的领域，广义相对论不可能是正确的。例如，在黑洞的中心，该理论的方程不再有意义，因为它们意味着物质密度将变得无穷大。

出于多种原因，前往黑洞内部测试广义相对论将是一个糟糕的策略。但是，安全地呆在地球上的科学家可以探测到相当强的引力范围。其中一个项目负责团队使用望远镜网络来拍摄黑洞外边缘附近的区域——它的“事件视界”(任何落入黑洞的物体都无法返回的点)。这些图像可以提供物质如何从黑洞的“吸积盘”流入黑洞的细节，吸积盘是一个在视界外环绕物质的环。

“通过分析吸积流的结构，”费雷拉写道，“将有可能探测时空的结构……并测试它是否与广义相对论一致。”

引力波还可以提供极端条件下的引力细节，比如两个黑洞相撞的时候，分析这种碰撞产生的时空涟漪可能会揭示广义相对论预测中的可能缺陷。

如果广义相对论失败了，那么近几十年来提出的多个相互竞争的引力理论就会束之高阁，它们中的大多数可以归结为在自然界的万有引力、电磁力、强核力和弱核力的基础上增加一种新的力。除了重力，其他三种已知的力都被“标准模型”精确地描述出来，“标准模型”是一组遵循量子力学要求的方程。不过，广义相对论并不适用于量子数学，所以长期以来，人们一直在进行一项重大的研究工作，以发展一种将引力理论和量子理论相结合的理论。

“广义相对论和量子物理学的统一被广泛认为是基础物理学中最突出的开放问题，”宾夕法尼亚州立大学的物理学家Abhay Ashtekar在最近一次科学作家研讨会上说。

大多数专家认为，这样一个统一的理论需要对广义相对论进行某种修正。

修正这一理论的一种方法是在空间中加入一个新的能量场，这种场在不同位置的强度可能会改变广义相对论对物质行为的预测。

一些理论家提出，增加一个时空扭曲的来源——一层额外的几何结构可能是一种更有效的方法。还有其他的建议，比如超弦理论，可以通过允许比通常遇到的三个维度更多的空间维度来修正广义相对论，通过一些数学运算，所有这些方法都相当于增加了第五种力。

位于智利高海拔沙漠的阿塔卡马探路者实验(APEX)射电望远镜是组成视界望远镜的全球阵列的一部分，它捕获了黑洞的第一张图像 ESO/B. Tafreshi/TWAN

到目前为止，寻找第五种力迹象的测试没有任何进展。但这些测试是在相对较小的范围内进行的(与整个宇宙相比)。广义相对论有可能在这些测试中占上风，因为其他物理效应掩盖或屏蔽了第五力可能引起的偏差，但是在小尺度上被过滤掉的影响在大尺度上可能是显而易见的，Ferreira写道。“这是一个未知的领域，也是我们可能发现新物理学证据的少数原始领域之一。”

广义相对论的另一个可验证的原则是它要求引力以光速传播。引力波提供了一种测试方法，2017年，两颗中子星的合并不仅向地球发射了引力波(穿越1.3亿光年的距离)，还释放出电磁辐射，其中包括x射线和伽玛射线，它们的传播速度与光速完全相同，电磁射线和引力波的到达时间显示出它们的传播速度是相同的(在千万亿分之一范围内)——这就排除了许多预测不同的重力理论。

进一步的测试以及对其他宇宙特征的更精确的观察(比如宇宙年轻时产生的残余微波背景辐射)，也许有一天仍会发现广义相对论的缺陷，如果是这样，一些爱因斯坦的粉丝可能会失望，但大多数物理学家不会。他们会为翻开物理学历史的新篇章而兴奋不已。

费雷拉写道：“随着引力宇宙的多个新窗口……人们会希望新的力量和现象即将被发现。”但费雷拉说，如果爱因斯坦超越了宇宙的距离，那就有一个安慰奖了。“至少，我们最终会得到一个关于重力的基础理论，经过一系列令人羡慕的尺度和体系的测试。”

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Tom Siegfried是华盛顿特区的一位科学作家和编辑。他的最新著作《天堂的数目》(The Number of The heaven)讲述了多元宇宙的历史，于9月由哈佛大学出版社(Harvard University Press)出版。

这篇文章最初发表在《可知》杂志上，这是一篇独立的新闻评论文章。

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