广义相对论诞生一百周年：为何爱因斯坦的理论至今仍屹立不倒

一百年前的这个月份，阿尔伯特·爱因斯坦重新定义了引力，推翻了他的英雄艾萨克·牛顿。

牛顿曾设想引力是一种像其他力量一样拉动物体使其运动的力量。但爱因斯坦将引力编织到空间和时间的每个结构中，塑造出物体在其中移动的看不见的丘陵和山谷景观。描述这一观点的方程式被称为广义相对论，此后已成为现代物理学的基石 - 为理解从行星和恒星如何运动到暗物质的存在以及宇宙本身的早期等一切事物打开了新的大门。

佛罗里达大学物理学家克利福德·威尔 (Clifford Will) 毕生致力于研究引力理论，他说：“如今，它确实是引力的标准模型。它以优异的成绩通过了每项实验测试。”

这并没有阻止那些希望挑战这位天马行空的天才的人们提出替代理论。近年来，修改广义相对论的新想法层出不穷。有些为宇宙增加了额外的维度。另一些则发明了全新的粒子。所有这些想法都有一个共同点：从未发现任何证据支持它们。

牛津大学理论物理学家泰莎·贝克说：“科学文献中有数百种这样的理论。你可以建立各种引力理论，它们的行为方式也各不相同。”

没人会真的指望彻底推翻爱因斯坦方程——也许除了那些未经请求就将手稿寄给我这样的科学记者的疯子。但尽管广义相对论取得了成功，物理学家们也有充分的理由对它不满。它与控制现实最小尺度的量子力学不相容。它包含一个让爱因斯坦本人感到困扰的模糊因素，他添加了它来解释宇宙的加速膨胀。但在我们自己的太阳系中，广义相对论已经一次又一次地证明了自己。

以水星为例。它在天空中行进的椭圆形路径会随着时间而移动。牛顿的数学可以解释其他行星的进动现象，但无法解释水星的进动现象。爱因斯坦最终找到了原因：太阳附近的扭曲时空对距离太阳最近的行星水星产生了明显的影响。

广义相对论还预测了太阳引力的扭曲会对经过附近的光线产生多大的弯曲。英国天文学家团队前往南美洲和非洲，通过拍摄日食期间靠近太阳的可见恒星，证实了这一预测。

后来，其他人开始质疑这项实验，声称天文学家看到的或许是他们想看到的景象，但恒星和其他天体不仅能弯曲光线，还能改变光线颜色，这一点已得到充分证实。一些天体甚至能聚焦来自遥远物体的光线，充当透镜，帮助行星猎人找到遥远恒星周围的外星世界。

尽管地球的引力比太阳弱得多，但技术进步使得人们能够证实地球引力对地球的神奇影响。美国宇航局运行时间最长的引力探测器 B 号在轨道上运行的旋转陀螺仪以与地球质量相符的方式摆动，既像蹦床上的保龄球一样扭曲时空结构，又像在蜂蜜中旋转的勺子一样扭曲时空结构。在地表上，世界上最精确的时钟以振动的原子计时，如果放在地板上而不是桌子上，走时会稍微慢一些——这是因为地板上稍强的引力使时间变慢了。

由于受到行星和恒星的阻碍，那些希望戳破爱因斯坦理论的人开始将目光投向宇宙中其他未知的水源。

“大约 5 到 10 年前，人们开始意识到我们需要在更大的尺度上检验广义相对论，”海德堡大学理论物理学家 Luca Amendola 说。

将检验相对论对宇宙结构预测的新项目包括欧洲太空任务欧几里得和大型综合巡天望远镜，后者今年在智利破土动工，将使用全景相机拍摄星系。

其他人则集中研究宇宙中引力最强大的物体：黑洞。

亚利桑那大学天体物理学家 Dimitrios Psaltis 表示：“我们想在不同的条件下测试引力。我们想看看是否能找到超越某个阈值的新物理学证据。”

普萨尔蒂斯加入了一个国际天文学家团队，该团队正在观察银河系中心的黑洞。黑洞本身是看不见的；它的引力非常强大，以至于任何穿过其事件视界的东西，包括光，都无法逃脱。但在事件视界的外面，有一圈朦胧的光和无线电波，是由落入黑洞的尘埃发出的。

四大洲的近十几台望远镜正在接收这些无线电波，以检查该环是否具有广义相对论预测的大小和形状。该网络与原子钟同步，就像一个巨大的虚拟望远镜：事件视界望远镜，从西班牙一直延伸到今年春天加入合作的最新成员——南极望远镜。

定于本月发射的欧洲太空任务也在考虑黑洞问题。该任务名为 LISA Pathfinder，将试验将在 2034 年的 eLISA 任务中执行的技术，该技术将检查两个黑洞相互绕转时会发生什么情况。

广义相对论预测，这样的引力耦合会在时空中产生向外扩散的波，导致物体膨胀和收缩。LIGO 是一台地面仪器，于 9 月进行了升级，多年来一直试图捕捉这些引力波，但一直没有成功。eLISA 将使用三组自由漂浮的物体来撒网。

在宁静的太空中，当两个正在合并的星系中的两个黑洞发出的波经过时，通过连接搭载这些物体的三艘航天器的激光测量出的这些物体之间的距离应该会发生轻微的变化。

剑桥大学的乔纳森盖尔说：“LISA 在整个任务期间应该会看到几十次这样的合并事件。”

捕捉到波并不一定能证实爱因斯坦的理论；它必须只在垂直于波本身的方向上改变距离。否则，物理学家们将需要重新开始。