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广义相对论：是对还是错？
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Jesse Emspak 文 Shea 编译 |
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爱因斯坦的广义相对论取代了牛顿的引力理论。现在对黑洞的观测也许会探测爱因斯坦这一杰作的极限。 2016年2月11日，两个科学家团队宣布第一次探测到了引力波，这是爱因斯坦的广义相对论在一个多世纪前所预言的现象。激光干涉引力波天文台和室女座引力波天文台捕捉到了时空自身的涟漪：两个黑洞在10亿光年之外碰撞并合的痕迹。 这是广义相对论的胜利。但对于物理学家而言，这并非终点，而是起点。黑洞——致密得连光也无法逃逸的天体——证明爱因斯坦是对的。现在，科学家要用它们来把广义相对论推向极限，也许甚至还要“打破”它。 这并不意味着，科学家们认为相对论是错的。相反，这一理论只是还不完整。 天文学家和物理学家正在使用射电望远镜和引力波来探测黑洞，追踪黑洞周围恒星和其他物质的运动，来检验它们是否遵从一个世纪前爱因斯坦所写下的定律。 到目前为止，广义相对论已经通过了每一个实验检验。它奠定了我们对空间、时间和引力认识的基础；就连全球定位系统和北斗导航系统也要把它考虑在内。它取代了牛顿对引力可以瞬间作用的认识。 虽然广义相对论的数学要远比牛顿引力的更加复杂，但它的基本原理却很简单。广义相对论把引力描述为时空的弯曲。时空就是三维空间坐标（长、宽和高）再加上一维时间坐标。物体可以弯曲时空结构，在行星、恒星、黑洞——以及任何有质量的东西——所在的地方形成引力势阱。 同时，光线会沿着势阱周围弯曲的路径运动。一个质量足够大的天体可以像一个透镜，放大其后方的东西。当光线跃出引力势阱时会被拉伸，它跃得越高，颜色就会变得越红。在引力越强的地方，时间也会变慢，因此黑洞、恒星、甚至地球表面附近的钟会比远离那里的钟走得更慢。  这幅物理图像是完整的吗？ 虽然广义相对论漂亮地通过了所有的检验，但几十年来它自身的缺陷也一直在驱使着新的研究。最主要的一个例子是，爱因斯坦的广义相对论无法与量子力学相容，而后者包容了自然界的其他三种基本作用力。这其他三种基本作用力都由粒子来承载：光子承载着电磁力，胶子承载着强核力，W和Z玻色子承载着弱核力。虽然现有的理论都认为它应该存在，但迄今还没有观测到承载引力的粒子：引力子。 有一些现象也与爱因斯坦的图景不太相符。宇宙加速膨胀就是其中之一。虽然广义相对论确实预言了星系之间会彼此远离，但驱动宇宙加速膨胀的原因至今仍有争议。这是否有可能是因为我们没有正确的理论来描述引力所致？观测上，科学家们现在挑战这些极限，希望得到一个更加完整的引力理论，毕竟有证据表明目前的广义相对论还不够好。 研究极端环境下的引力可能会是希望所在。黑洞兴许可以为寻找广义相对论的突破点提供一条途径。现有许多检验广义相对论的实验，但到目前为止它们中没有任何一个是探测紧邻黑洞边缘强引力场区域的。 广义相对论的第一批实验检验都是在太阳周围极弱的引力场中进行的。例如，水星绕太阳的轨道存在距离最近点，被称为近日点，它每个世纪会进动2°。 相对论解释了其中每世纪仅43角秒的微小部分，而这恰恰是牛顿定律所不能的。1919年对日全食的观测发现，光线经过太阳引力场时确会发生微小偏折。之后，引力透镜和引力波的发现帮助证明了广义相对论在解释大自然上的强大威力。爱因斯坦的理论看上去似乎表现良好，但难以摆脱的一个问题是，他的理论在更加极端的环境下是依然成立？还是最终会像牛顿理论那样显现出不足？ 然而，即便科学家有共识，认为广义相对论也许不会是最终的理论，但任何新的引力仍需要与此前所有的结果相符。这个门槛正在变得越来越高。无论你想提出什么样的引力理论，它最起码必须要能预言出和已观测到一致的引力波。  打造黑洞 要造个黑洞，你必须把大量的物质压缩进一个非常小的空间内。爱因斯坦的理论对质量的多少没有要求，但天文学家认为大自然在恒星死亡时可以制造出恒星质量黑洞。所有恒星其一生中的大多数时间都在其核心把氢聚变成氦。这一过程产生的能量形成了向外的压强，它可以平衡向内的引力。在恒星耗尽了其核心处的氢之后，它会开始把氦聚变成碳。 质量越大的恒星能聚变的燃料越多。最终，硅会聚变成铁和镍。但由于聚变更重的元素会消耗而非释放能量，这一过程就此停止。恒星会无法继续通过聚变所产生的压强支撑自重，由此会发生坍缩。这一暴缩会形成激波，以剧烈超新星爆炸的形式把整颗恒星炸碎。对于起始时质量超过20个太阳质量的恒星来说，所留下的核心会坍缩成一个密度无穷大的奇点。在奇点周围会形成视界，于是就有了黑洞。 视界——有去无回的边界——出奇得小。位于银河系中心的黑洞被称为人马A*，拥有约400万个太阳质量，但它视界的直径仅2 400万千米。把它放到水星轨道内仍有许多空余。一个10倍于太阳质量的黑洞其视界直径为60千米。如果地球被压缩成一个黑洞，它的大小与一个玻璃球相当。视界的半径与黑洞的质量成正比，但不同于电影中所展现的，黑洞并非是物质吸尘器。如果一个地球质量的黑洞取代了地球，月球的轨道不会发生任何变化。 只有在靠近视界的时候，引力场才会发生剧烈的变化，它的小尺度才会发挥作用。这也使得黑洞成为了检验广义相对论的理想舞台。它的引力势阱非常陡，在距离地球质量黑洞1米的地方，一个人会承受超过40万亿倍于地球表面的重力。在黑洞的边缘，光线弯曲和时间延迟易于发生，与牛顿力学之间的偏差效应可以大到能被容易地测量。如果广义相对论有问题，那很有可能会看见它发生在黑洞附近。  恒星的高速轨道 为了寻找这些广义相对论效应，科学家们正在使用与分析水星轨道相似的方法。人马A*是距离地球最近的超大质量黑洞，天文学家们可以分辨出绕其转动的单颗恒星。其中有一颗特别的恒星，被称为S2，它有着一条扁椭圆轨道，每16年绕转一周。该黑洞的质量是它绕转速度如此之快的原因。2018年年中，在最接近人马A*时，它到该黑洞的距离约为冥王星到太阳的3倍，它的运动速度在光速的1～2%之间。 在多年的观测之后，2018年的数据会给予科学家足够的信息来精确测量广义相对论与牛顿力学之间的偏差。有意思的是，相对论效应太大了，都很难对观测到的现象施用牛顿力学。 目前，爱因斯坦的广义相对论与牛顿理论之间的差别已经高达每秒200千米。进一步的偏差也许就会开始显现出爱因斯坦理论的缺陷。 此外，这些天文观测还发现了另一个谜题。银河系中心附近的恒星应该是相对年老的。形成恒星的气体和尘埃云无法稳定地位于超大质量黑洞附近，基于广义相对论的计算显示潮汐力会瓦解它们。然而，银心附近的恒星看上去却十分年轻。除非有人能想出一个办法把这些形成于外部区域中的年轻恒星快速迁移到此，否则科学家们对此的认识肯定有所缺失。  在阴影中 其他天文学家则采取了不同的策略，他们使用事件视界望远镜来探测广义相对论是否会在黑洞的“阴影”中失效。 事件视界望远镜综合了遍布全球的射电望远镜。使用被称为甚长基线干涉测量的技术，这些望远镜会协同工作，达到一架直径与地球相当的望远镜所具有的分辨率。这个阵列能为射电天文学家提供足够的分辨率来观测人马A*的边缘和室女星系团中巨椭圆星系M87中心更大得多的超大质量黑洞。在这两个黑洞周围有气体和尘埃组成的吸积盘。由于黑洞的强大引潮力会撕碎任何太过靠近的天体，因此在它们周围会形成这些盘。在掉入黑洞前，盘中的摩擦作用会把物质加热到数百万度的高温，气体会在从X射线到射电波段发出明亮的辐射。 由于黑洞就像一个透镜，当它把后方的光子弯曲到它四周时，天文学家们预期会看到一个圆形的光环。虽然大多数科学家把这个光环所包围的中央黑色空缺称为“阴影”，但它其实是黑洞相对于明亮背景光的轮廓。如果这个光环并非完美的圆形且具有一定的振荡，那这有可能是量子效应在起作用。这将会是人类有史以来第一次看见紧邻黑洞周围的事物。 阴影的形状几乎完全是由引力独自决定的，而非由环绕黑洞的气体和尘埃的特性。因此，探测阴影可以清晰地测量引力的基本理论，而不受到周围物质的纷繁干扰。 广义相对论预言，这个阴影应该呈近圆形且具有固定的大小。其他的引力理论则认为有其他形状。如果找到了任何的偏差，那有两种可能性：要么广义相对论在强引力区域不正确，要么广义相对论仍然正确，但该天体不是黑洞，而是更加另类的天体。任何一种可能性都会很有意思。  御波而行 广义相对论最著名的预言之一也许就是引力波。虽然爱因斯坦的理论为引力波提供了坚实的数学基础，但这一概念并非他独创：亨利·庞加莱（Henri Poincaré）和奥利弗·亥维赛（Oliver Heaviside）也提出过这一概念。爱因斯坦预言，加速的大质量物体会使得时空振荡。由此产生的波会以光速传播，而非牛顿引力理论中的瞬间作用。截止目前，激光干涉引力波天文台和室女座引力波天文台已经探测到了6个引力波事件。 它们使用的是干涉装置。在分束器处发射一束激光，然后进入两条相互垂直的臂。激光干涉引力波天文台的每条臂长4千米，室女座引力波天文台的臂长为3千米。两束光经臂末端的反射镜反射后回到分束器，在进入光电检测器前合成为一束光。如果在合成前两束光运动的距离精确相等，它们要么会相互抵消，要么会彼此补充，光电检测器要么会什么也探测不到，要么会探测到和初始波束一样亮的光信号。 激光干涉引力波天文台的两个探测器和室女座引力波天文台的一个探测器设计成了如果两条臂长度相等，则光电检测器什么也探测不到。但如果两束光运动的距离不相等——例如当有引力波经过扰动了时空，光电检测器就会记录下干涉图样，合成后的波束就会比初始的更亮或更暗。这些干涉仪能探测到小到质子直径万分之一的臂长长度改变。 然而，探测到了引力波并不意味着爱因斯坦的理论可以休息了。在许多方面，这些探测所提出的问题比它们回答的还要多。一些科学家已经开始挖掘这些结果，来寻找量子引力理论的迹象，或者至少是一些与量子力学的关联。 2016年末，有科学家提出，引力波信号中的“回声”可能暗示着在并合黑洞的事件视界附近存在微小的结构，为超越广义相对论的物理学提供了线索。但这个想法并没有引起其他科学家的热情。在前前后后的一系列论文中，反对者对他们的理论基础表示怀疑。下一个问题是，这些回声是否会出现在未来的观测中。  有质量的粒子 引力波也许还能从从其他方面揭示超越广义相对论的物理学。其中之一就是限定引力子的质量。如果引力子没有质量，那么引力会以光速传播。有质量的引力子会使得引力波无法以光速传播。 如果引力子有质量，它也必定非常小。根据对引力波的探测结果，引力子的质量不会超过10的负20次方电子伏特，可能是10的负23次方电子伏特，但再往下就不知道了。电子伏特是粒子物理学中常用的能量单位，根据爱因斯坦的质能方程，能量除以光速平方之后即可用作质量单位。在某个特定的点，如果没有探测到它的质量，就必然会思考它是否真的质量为0，或者仅仅是质量太小。 与此同时，其他科学家则通过黑洞和中子星的组合在大尺度上寻找量子效应。中子星是质量大于8个太阳质量、但小于20个太阳质量的恒星坍缩所形成的。它们有着强大的磁场，其中一些还会朝地球有规则地发射出射电波束，就像一个灯塔，被称为脉冲星。 有物理学家提出，利用绕黑洞转动的脉冲星所发出的精确时间信号来探测事件视界附近的区域。因为黑洞会弯曲光线，当脉冲星位于黑洞后方时，脉冲星的信号会延迟一定的时间。如果量子效应是重要的，那这一延迟会以广义相对论无法预言的方式发生改变，由此揭示出量子力学与广义相对论相容的可能途径。 但进行这类实验还有另一个目的。目前已经清楚的是，引力——因此广义相对论——会以同样的方式作用在不同的尺度上。但超大质量黑洞——例如银河系中心的人马A*——附近的物理学也许会有别于恒星质量黑洞附近的。 例如，激光干涉引力波天文台发现在恒星质量黑洞附近引力波会以广义相对论预期的方式产生。然而，对于质量越大的黑洞来说，其视界之外空间的曲率（引力势阱的陡峭程度）反而越小。这有可能蕴藏着极为不同的物理学。在曲率很大的时候，需要使用激光干涉引力波天文台。当所感兴趣的物理学发生在数百万千米的尺度上时，可能需要事件视界望远镜来探测检验。在两者之间的则是已经明确的太阳系尺度。 宇宙学家感兴趣的是在非常大的尺度上来改变引力理论。弦理论和高能物理学家则在量子层面上来改变引力理论。然而，和许多谜题一样，我们也许不得不等待未来的观测和测量来告诉我们这些理论中哪一个是正确的或者是错误的。 |
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[Astronomy 2018年7月]
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2001-2020火流星工作组制作
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