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撰文：Tom Siegfried

一個世紀以前，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）成為了一個家喻戶曉的名字。

當然，在更早的時候，他就已經是著名物理學家了。但直到1919年11月，當他的引力理論被證實的訊息傳出之後，才讓幾乎全世界的人都知道了他——這曾讓艾薩克·牛頓（Issac Newton）的許多粉絲感到沮喪。

當時《紐約時報》打出標題，“天空中所有的光線都是彎曲的”，副標題寫著“愛因斯坦的理論勝利了”。正如這篇報道所述，在日食期間，天文學家觀測了太陽附近的恆星，發現了它們的位置恰如愛因斯坦所預測的那樣——發生了明顯偏移。一夜之間，兩個多世紀以來被視為無可撼動的牛頓萬有引力定律， 不再是無懈可擊的存在。

○ 對愛因斯坦廣義相對論的第一次重大檢驗是在1919年的一次日全食中，這張圖片源自於一篇科學論文，論文報道了正如愛因斯坦理論所預測的那樣，來自遙遠恆星的光在太陽引力的作用發生了彎曲。| 圖片來源：F.W. DYSON, A.S. EDDINGTON AND C. DAVIDSON

但是，儘管愛因斯坦的引力理論取得了勝利，物理學家們仍然懷疑，有朝一日廣義相對論是否也會面臨與牛頓定律相同的命運。雖然到目前為止，愛因斯坦的引力已通過了所有驗證，但沒有人能確切地知道它是否適用於任何地方、任何條件。特別是，沒有人能保證是否整個宇宙都由廣義相對論支配。為了以防萬一，這麼多年來，物理學家已經提出了好幾種對立理論。

在愛因斯坦提出新理之後的幾十年裡，它並沒有得到足夠的重視。直到20世紀後半葉，廣義相對論才成為宇宙的理論。該理論中的方程描述了宇宙從最初的高密度、熱大爆炸到現在的快速加速膨脹的過程。今天，隨著廣義相對論的一些更奇異的預言——比如黑洞，再比如被稱為引力波的空間振動——都得到了驗證，廣義相對論贏得了越來越大的聲望。

但是廣義相對論的成功未必就是永無止境的。雖然這個理論（連同描述自然界中其他三種基本力的標準模型）可以很好地描述可觀測宇宙。這種描述中還囊括了大量看不見的物質，即所謂的暗物質，以及一種特殊充斥著整個空間的排斥力，即暗能量。其中，暗物質是基於廣義相對論是正確的假設而存在的。

“鑑於沒有其他（非引力的）證據可以證明暗世界的存在，那麼對證據中的一些基本假設提出質疑是一件常識性的事。而其中主要的假設就是，廣義相對論是引力的基礎理論。”英國牛津大學的天體物理學家佩德羅·費雷拉（Pedro Ferreira）在最近的《天文學和天體物理學年評》中寫道。費雷拉指出，如果你不假定廣義相對論是正確的，那麼“暗世界存在的證據可能意味著廣義相對論在宇宙尺度上的失效”。

換句話說，暗物質是有可能不存在的。在這種情況下，暗物質明視訊記憶體在的證據實際上可能是一個訊號，它意味著愛因斯坦的理論可能並非是宇宙真正的引力理論。如果是這樣，現有的宇宙圖景將不得不被徹底地重新繪製。

儘管如此，物理學家仍有充足的理由信賴廣義相對論。首先，它解決了一個曾讓天文學家倍感困擾的水星難題——水星的軌道與牛頓引力預測的軌道不一致。1915年，愛因斯坦在證明了他的引力理論可以正確預測水星的實際軌道之後，才將廣義相對論公之於眾。

愛因斯坦解開水星之謎的關鍵是把引力看作是空間的幾何所產生的一種效應（或者嚴格地說，是時空的一種效應，因為他的早期研究表明，空間和時間是不可分割的）。愛因斯坦說，引力不是大品質物體相互吸引的結果，而是品質扭曲了其周圍時空的結果。無論是天體的執行軌道還是物體落入了一個品質巨大的物體，都取決於物體周圍的時空彎曲程度。與其說這是對某種吸引力作出的響應，不如說是有品質的物體遵循時空的幾何輪廓。

引力是一種幾何這種說法，導致了一個著名的預測在1919年日食事件中被證實。愛因斯坦指出，在太陽附近的時空曲率會導致來自遙遠恆星的星光在經過附近時發生彎曲，從而改變從地球上看到的恆星的視位置。1919年5月，英國天體物理學家阿瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）在西非的普林西比島進行了一次日食觀測。愛丁頓團隊發現，有幾顆恆星的位置發生了改變，其改變程度與愛因斯坦的計算相符，卻是牛頓定律預測結果的兩倍。當日食小組在1919年11月公佈這些結果時，一則新聞報道稱，這預示著“一種新的宇宙哲學”即將來臨。

○ 2019年，EHT拍攝了到了位於星系M87中心的黑洞圖片，這是黑洞的第一張照片。影象中所顯示的光的細節，或許能有助於檢驗愛因斯坦引力理論的適用性。| 圖片來源：EHT合作組

在自那以後的一個世紀裡，愛因斯坦的引力通過了許多驗證，比如2016年所報道的轟動一時的引力波探測。但是，我們不可能在所有可想象到的條件下對這個理論進行檢測。長期以來，一直有專家懷疑，廣義相對論在品質密度極高的區域不可能依舊正確。例如在黑洞中心，廣義相對論的方程就不再有意義，因為它們意味著物質的密度是無窮大的。

出於種種原因，前往黑洞內部去檢驗廣義相對論都是一個糟糕的策略。但是，在地球上安全待著的科學家可以對引力較強的領域進行探測，或許能得到一些線索。其中一個專案就是使用望遠鏡網路來拍攝黑洞外邊緣附近的區域，即它的“事件視界”（任何落入黑洞的物體都無法返回的點）。這些影象可以為物質是如何從黑洞的吸積盤（一個在視界外環繞的物質環）流入黑洞提供細節。

“通過分析吸積流的結構，”費雷拉寫道，“將有可能探測時空的結構……並檢驗它是否符合廣義相對論。”

引力波還可以提供極端條件下的引力細節，比如當兩個黑洞相撞之時。分析這種碰撞所產生的時空漣漪，或許可以揭示可能存在於廣義相對論預測中的缺陷。

如果廣義相對論失效了，那麼近幾十年來提出的那些引力理論就會蓄勢待發。它們中的大多數可以歸結為要在自然界的四種基本力——萬有引力、電磁力、強核力和弱核力——的基礎上，再增加一種新的力。除了引力之外，其他三種已知的力都可以被標準模型精確描述。標準模型是一組遵循量子力學要求的方程，不過廣義相對論卻並不適用於量子數學，所以長期以來，物理學家一直在進行大量研究工作，以求發展出一種能將引力理論和量子理論相結合的理論。

在最近的一次科學作家研討會上，賓夕法尼亞州立大學的物理學家阿貝·阿西提卡（Abhay Ashtekar）說道：“廣義相對論和量子物理學的統一，被廣泛認作是基礎物理學中最突出的一個開放性問題。”

大多數專家認為，要得到這樣一個統一的理論，需要對廣義相對論進行某種修正。

修正廣義相對論的一種方法是新增一個新的瀰漫在空間中的能量場。這種場在不同位置的強度可以改變廣義相對論對物質行為的預測。

一些理論學家提出，與其增加一個額外的時空扭曲來源，增加一層額外的幾何結構或許會是一種更有效的方法。還有一些其他的建議，比如超弦理論，它能通過使用比我們所熟知的三個維度更多的空間維度來修正廣義相對論。通過數學運算，這些所有的方法都可以歸結於添加了第五種力。

到目前為止，實驗和觀測都還沒能發現任何與第五種力有關的蛛絲馬跡。但這些檢驗是在相對小的尺度（與整個宇宙相比）上進行的。可能在這些尺度上，廣義相對論會佔據上風，因為在這種尺度上，其他物理效應可能會掩蓋或遮蔽了第五力所能引起的偏差。然而，在小尺度上被掩蓋的效應或許會在大尺度上變得顯而易見，費雷拉寫道：“這是一個未知的領域，也是少數幾個我們可能發現新物理學證據的淨土之一。”

廣義相對論的另一個可驗證的原則是它要求引力以光速傳播。引力波提供了一種驗證方法。2017年，兩顆中子星的合併不僅向地球發射了引力波（穿越1.3億光年的距離），還釋放出了電磁輻射，其中包括X射線和伽瑪射線，它們的傳播速度與光速完全相同。電磁射線和引力波的到達時間顯示出它們的傳播速度是相同的（精確度在千萬億分之一的範圍內）——這一結果讓許多對此有不同預測的引力理論直接出局。

也許有一天，通過一些更進深入的檢驗，以及對其他宇宙特徵（如宇宙年輕時產生的微波背景輻射餘暉）更精確的觀測，我們還是有可能發現廣義相對論的不足之處。這樣的結果或許會讓一部分愛因斯坦的粉絲感到失望，但更多的物理學家會為掀開了物理學的新篇章而興奮不已。

版權宣告：原文標題為“Physicists probe validity of Einstein’s gravity on cosmic scales”，首發於Knowable Magazine（www.knowablemagazine.org）。原文連結：https://www.knowablemagazine.org/article/physical-world/2020/testing-einstein-theory-of-gravity。本文經Knowable Magazine的出版社Annual Reviews授權翻譯。中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。