挑战爱因斯坦
Gabriel Popkin　文　Shea　编译
	爱因斯坦的广义相对论重塑了引力，解决了牛顿理论所不能的问题。自1915年首次亮相以来，它已经通过几十个专门为它精心设计的实验检验。但物理学家其实才刚刚开始。 到目前为止，我们还只是在牛顿的世界里玩耍。不过，这一切很快就会改变。一些大胆的实验将使用前所未有的望远镜和全新的探测方式来研究引力在宇宙中最极端的一些天体周围是如何起作用的。 那里将是广义相对论真正要接受考验的地方。强大的望远镜已经在寻找脉冲星——恒星死亡后留下的致密核心——信号中的微小变化。很快，全世界的一项共同努力将会第一次拍摄到黑洞的样子。巨大的引力波探测器还将扫描数千个星系，寻找宇宙时空结构中微小的涟漪。 这每一个实验——其中一些是有史以来最雄心勃勃的设想——将要去检验的是一个在100年前用铅笔和纸所提出的理论。然而，大多数物理学家仍然把宝押在他一个人身上。 引力的脉搏 使用当今的先进仪器，天文学家第一次可以来研究宇宙中极端的引力事件，寻找相对论可能的突破点。目前检验相对论的实验几乎都是在太阳系中进行的，但新的望远镜和探测器将帮助天文学家探测远远超出了我们所在的区域。目的是探测在脉冲星周围高度弯曲的时空中引力是如何作用的。这些极端的天体会发出强劲的辐射波束，像旋转的宇宙灯塔一样扫过天空，其规律性可以和地球上最好的时钟相媲美。脉冲星极其的致密，一颗质量与太阳相当的脉冲星会被压缩成一个直径只有10千米左右的球体。 迄今，广义相对论最知名的检验之一便来自一对脉冲星，被称为PSR B1913+16，它们也以其发现者而被称为赫尔斯-泰勒双脉冲星。因这项发现，拉塞尔·赫尔斯（Russell Hulse）和约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）获得了1993年的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦预言，像脉冲星这样致密的天体，如果相互绕转的话，会在时空中泛起涟漪，就像湖中的水波。这些时空涟漪被称为引力波，它们的波动十分微小，一道穿过地球的引力波对我们的拉伸作用还远远不到一个质子的直径。 然而，随着时间的推移，辐射出的引力波会带走这个双星系统的能量，使得这两颗脉冲星盘旋着相互靠近。在30年的研究期间，赫尔斯-泰勒脉冲星彼此靠近的速率完全符合爱因斯坦的预言。 从1974年起到今天，天文学家已经在银河系中发现了数千颗脉冲星。最近新发现了一颗脉冲星，它具有极不寻常的轨道，和两颗白矮星一起组成了三星系统，这可以帮助物理学家检验广义相对论的另一个预言。这颗奇特的脉冲星被称为PSR J0337+1715。该系统的独特几何特性将能让科学家们来研究广义相对论中的强等效原理。该原理认为引力会以相同的速率加速所有的物体，不论其密度和成分。 当恒星坍缩成一个超高密度的天体——例如脉冲星或黑洞——时，它的一些物质会转变成引力结合能。爱因斯坦的理论预言，这些能量应该会和物质一样经历相同的引力作用。这意味着，上述三星系统中的脉冲星及其近邻的白矮星会以相同的速率被该系统中的第三个天体（另一颗白矮星）所吸引。如果并非如此，那脉冲星的轨道就会被扰动，通过测量其发出的脉冲到达地球的时间可以来探测这一变化。通过这种方式，科学家希望能检验强等效原理是否成立。其结果将会比以往得到的精确20倍，甚至可能100倍或更多。 这些结果预计很快就会问世，但科学家们对爱因斯坦很有信心。广义相对论极有可能也会通过这一测试，但如果不去尝试，那永远也不会知道这个理论是否真的会出现问题。 [图片说明]：脉冲星双星的艺术概念图。 黑洞无毛 纵然脉冲星无疑是致密的天体，但真正的压倒性引力还要看黑洞。天文学家正在尝试检验广义相对论最极端的预言，即质量足够大的恒星最终会在其自身引力的作用下坍缩成黑洞。尽管几十年来的数据都暗示了黑洞的存在，但所有的证据都是间接，建立在对光线或者是其他天体观测的基础之上。黑洞本身还从未被直接观测到过。 眼见为实，所以天文学家希望能直接拍摄银河系中心黑洞人马A*的照片，它距离我们26 000光年。要做到这一点，需要使用事件视界望远镜。它会综合遍布全球的10多架射电望远镜，由此应该能够一路看到人马A*的边缘。天文学家怀疑，该黑洞会在射电背景中投下一个圆形的影子。 除了证明黑洞存在，事件视界望远镜还会确认或挑战相对论的另一个关键论断——黑洞无毛定理。“黑洞无毛”意味着所有黑洞只需要用三个物理量即可描述：质量、自转和电荷。任何“毛”——即进入黑洞的物质本身所携带的信息，例如化学成分、分子结构，或者甚至是形状和大小——都会永远消失在黑洞的事件视界之内。 使用事件视界望远镜，科学家计划来研究人马A*所投下影子的大小和形状。广义相对论的无毛定理预言了一个几乎完美的圆形阴影，在其他的理论下它则会呈椭圆形。也同样是为了检验这一定理，还有天文学家提出可以跟踪人马A*近旁恒星及其附近脉冲星的运动。黑洞的“毛”会改变黑洞附近这些天体的运动，在未来十年内投入使用的望远镜将可以探测到这些变化。 如果发现无毛定理存在问题，那无论对广义相对论还是对黑洞理论而言都是一个重大的打击。这将会是一个惊喜，意想不到的事情或早或晚总是会出现。在天文学和物理学中，每当我们打开一扇通往此前未知世界的窗口，总会发现一些意料之外的东西。 [图片说明]：电影《星际穿越》中黑洞的样子。版权：Paramount Pictures。 凝视引力 最后，还有一​​组实验将会来检验相对论，它们并不会采集并分析来自天体的辐射，而是通过观测引力本身。激光干涉引力波天文台和室女座引力波天文台将会搜寻这些由数亿光年远的星系所发出的引力波。 在这些天文台巨大的L形干涉臂中，激光会在几千米长的管道中来回穿梭，往返于探测器和反射镜之间。这些天文台都经过精密的调试，使得它们可以探测到引力波对其反射镜所造成的轻微推拉作用，其幅度仅相当于一个质子的千分之一。这些微小的扰动会在探测器所接收到的激光中留下可以识别的图案。物理学家随后通过分析数据来寻找对应的天体系统。激光干涉引力波天文台有两个位于美国的独立探测器组成，于2002年投入使用；室女座引力波天文台位于意大利，分别在2007年和2009～2010年与前者一起开展了联合观测。所有这些努力尝试都没有探测到引力波——一个令人失望、但也并不意外的结果。激光干涉引力波天文台的两个探测器目前正在进行重要的升级工作，这将使得它们能够探测比此前大1000倍的区域。到2018年，它们将会具有足够的灵敏度来探测源于数万个星系的引力波。 这些引力波数据将检验爱因斯坦有关黑洞自转速度以及黑洞或中子星间相互碰撞的预言。这些事件极其剧烈。就能量而言，两个黑洞并合的最终阶段所释放的能量可以超过其所在星系中所有恒星的总和。如果引力波数据中存在无法解释的信号，那就会迫使广义相对论做出修改，当然这并非是科学家们所希望看到的。 [图片说明]：激光干涉引力波天文台。版权：LIGO。 无往不利 爱因斯坦本人从未真正怀疑过广义相对论。当被问及一个早期的实验否定其理论的可能性时，他回答说：“那我就对亲爱的上帝感到抱歉。这个理论（广义相对论）无论如何是正确。”根据实验检验的结果，今天的物理学家都认同这一点。如果广义相对论能在未来的这些实验中都胜出，并不会让人感到惊讶。 如果广义相对论真的出现了问题，那也将是令人兴奋的，但这种兴奋喜忧参半。物理学家将不得不与他们手中最美丽的理论之一惜别。毕竟，广义相对论仅用少量的假设即可提供对宇宙的深刻认识，着实是一个非常优雅的理论。
[Discover 2015年04月]

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