你可能以為，物理學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)滿意了。他們一直在對愛因斯坦的廣義相對論進(jìn)行檢驗(yàn)。愛因斯坦在整整100年前第一次提出了廣義相對論，它解釋了引力是什么。科學(xué)家們一直沒有發(fā)現(xiàn)它存在任何不足之處，但卻仍在調(diào)查根據(jù)它做出的預(yù)測，精確到第n位小數(shù)。在該理論100周年之際，科學(xué)家會做一些特別嚴(yán)格的驗(yàn)證。也許會有人發(fā)現(xiàn)這座非凡數(shù)學(xué)大廈的第一個(gè)微小缺陷。
更為奇怪的是，雖然在物理學(xué)家中，廣義相對論獲得的贊頌和尊崇超過了所有其他科學(xué)理論，但如果驗(yàn)證證明它站不住腳，他們無疑會感到欣喜。這就是科學(xué)：你提出了一個(gè)聰明的想法，然后檢驗(yàn)它至極限。
但是揭示該理論缺陷的這種決心，其實(shí)無關(guān)乎懷疑主義，和肆意的虛無主義更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)扯不上關(guān)系。大多數(shù)物理學(xué)家已經(jīng)確信，廣義相對論并不是引力的最終定論。這是因?yàn)樵摾碚撝饕獞?yīng)用在恒星和星系的規(guī)模，和量子理論沒有交集。量子理論是現(xiàn)代物理學(xué)的另一塊基石，針對的是原子和亞原子粒子級別的微觀世界?？茖W(xué)家們覺得，這兩個(gè)基本理論的依托是一個(gè)量子引力理論，廣義相對論和常規(guī)量子理論是它的絕佳近似值，這就像艾薩克·牛頓在17世紀(jì)后期提出的萬有引力理論，除某些極端情況外，應(yīng)用起來通常都沒問題。
科學(xué)家的希望是，如果能找到廣義相對論站不住腳的一些黑暗角落——這有可能是因?yàn)樗枋龅囊鋈绱藦?qiáng)大——那么我們或許會發(fā)現(xiàn)它欠缺了哪些成分，而這可能會指明通向量子引力理論的道路。
廣義相對論不僅僅是愛因斯坦最后一個(gè)宏偉想法，而且可以說是他最偉大的構(gòu)想。他的“奇跡年”通常被認(rèn)為是1905年，這一年他開始構(gòu)想量子理論，并提出了狹義相對論，描述了接近光速的運(yùn)動導(dǎo)致的時(shí)空扭曲。廣義相對論則描繪了更加廣闊的畫面，探討了變速運(yùn)動，比如物體在進(jìn)入引力場時(shí)出現(xiàn)的加速。根據(jù)愛因斯坦解釋，引力可以看成是由于質(zhì)量的存在，時(shí)間和空間結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的彎曲。這也扭曲了時(shí)間：與沒有引力場的空間相比，時(shí)鐘在一個(gè)強(qiáng)大的引力場中走得慢一些。利用在空間衛(wèi)星上極其精確的時(shí)鐘，科學(xué)家們徹底證實(shí)了這個(gè)預(yù)測的正確性。事實(shí)上，GPS系統(tǒng)必須考慮到這種影響，來調(diào)整自己的時(shí)鐘。
愛因斯坦1915年向普魯士科學(xué)院(Prussian Academy of Sciences)提交了廣義相對論的論文，不過正式發(fā)表是在第二年。該理論還預(yù)測，強(qiáng)大的引力場會導(dǎo)致光的彎曲。在1919年，英國天文學(xué)家亞瑟·愛丁頓(Arthur Eddington)通過仔細(xì)觀察一次日全食中一些恒星的位置，證實(shí)了這一預(yù)測，這些恒星的光線會通過臨近太陽的區(qū)域。愛因斯坦自此成為國際名人。當(dāng)他在1931年與查理·卓別林(Charlie Chaplin)見面時(shí)，據(jù)說卓別林對他說，公眾為他們兩人喝彩，是因?yàn)槊總€(gè)人都理解自己的電影，但沒有一個(gè)人理解愛因斯坦的理論。
廣義相對論預(yù)言，一些燃料耗盡的恒星將因自身引力而崩塌。它們被稱為中子星，其密度可能會變得非常之大，直徑只有幾英里，但一小勺就有100億噸?；蛘呖赡軙o限地崩塌下去，變成“奇點(diǎn)”，也就是一個(gè)黑洞，其巨大引力場甚至連光都無法逃逸，因?yàn)橹車目臻g太過彎曲，光會直接轉(zhuǎn)彎回到原處。
自那之后，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了很多中子星：有些被稱為脈沖星，它們旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從磁極發(fā)射出強(qiáng)烈的電波，發(fā)射和停止存在著精準(zhǔn)的規(guī)律性。黑洞只能通過X射線和熱氣體散發(fā)的其他輻射被間接看到，黑洞被這些熱氣體包圍著，并將它們吸入。但是天體物理學(xué)家堅(jiān)信黑洞是存在的。
雖然牛頓的引力理論基本上足以描述太陽系的運(yùn)動，但對于密度極大的物體，比如脈沖星和黑洞，廣義相對論就不可或缺了。這也是用天文研究檢驗(yàn)這個(gè)理論的局限的地方。去年在弗吉尼亞州夏洛茨維爾，國家射電天文臺(National Radio Astronomy Observatory)的天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆脈沖星，繞著它運(yùn)動的另外兩顆縮小的恒星被稱為白矮星，而這一現(xiàn)象是前所未見的。在這種情況下，有兩個(gè)星體在第三個(gè)的引力場中運(yùn)動，如果在白矮星繞脈沖星運(yùn)動的時(shí)候，非常細(xì)致地測量它們對脈沖星電波發(fā)射規(guī)律的影響，應(yīng)該可以檢驗(yàn)廣義相對論的核心支柱之一“強(qiáng)等效原理”。該團(tuán)隊(duì)希望今年開展這項(xiàng)研究。
但最引人注目的廣義相對論檢驗(yàn)是對引力波的尋找。該理論預(yù)測，一些非常龐大的星體，比如超新星（爆炸的恒星）或者被另一顆恒星圍繞盤旋的脈沖星（脈沖雙星），和它們有關(guān)的天體物理過程應(yīng)該在時(shí)空中激發(fā)漣漪，像波一樣向外輻射。第一個(gè)脈沖雙星是在1974年發(fā)現(xiàn)的，科學(xué)家假設(shè)兩個(gè)星體輻射了引力波，因而損耗了能量，計(jì)算出了它們靠攏的速率，我們現(xiàn)在已經(jīng)知道，它們確實(shí)在以這個(gè)速率慢慢靠攏。
不過，真正的目標(biāo)是，當(dāng)這些波經(jīng)過我們的星球時(shí)，直接從它們導(dǎo)致的微小空間扭曲中看到它們。引力波探測器讓激光在長兩公里、擺成L形的干涉臂上來回反射，從而對這種微小收縮或擴(kuò)張進(jìn)行測量。目前世界上許多臺引力波探測器，其中兩臺——美國的LIGO，在路易斯安那州和華盛頓有兩個(gè)觀察站；以及歐洲的VIRGO，位于意大利——剛剛對靈敏性進(jìn)行了升級，它們都將在2015年開始尋找引力波。去年9月，歐洲航天局還用太空中的LISA Pathfinder探測器開展了一個(gè)試點(diǎn)任務(wù)。
幸運(yùn)的話，2015年就會是我們確認(rèn)廣義相對論優(yōu)勢和局限性的一年。但這不會對它受到的推崇產(chǎn)生太大影響。奧地利-瑞士物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇?Wolfgang Pauli)稱廣義相對論“可能是現(xiàn)有理論中最美的”。很多物理學(xué)家（包括愛因斯坦本人）相信它，并不是因?yàn)樗?jīng)過了實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，而是因?yàn)樗麄冋J(rèn)為它簡潔優(yōu)雅。每個(gè)在量子引力領(lǐng)域工作的人都知道，簡潔優(yōu)雅是多么難以達(dá)到。
文/菲利普·鮑爾(Philip Ball)是科普作家，曾任《自然》雜志編輯。他著有新書《隱形之物：看不見的危險(xiǎn)誘惑》(Invisible: The Dangerous Allure of the Unseen)。
