愛因斯坦的理論如何推翻

愛因斯坦的廣義相對論重塑了引力理論，解決了牛頓理論所不能解決的問題。自1905年首次亮相以來，它已經通過了幾十個專門為它設計的實驗檢驗，但物理學家的挑戰其實才剛剛開始。

到目前為止，我們還只是在牛頓的世界裡玩耍。不過，這一切很快就會改變。一些大膽的實驗將使用全新的探測設備和探測手段來研究引力在宇宙中一些最極端的天體周圍是如何起作用的。那裡將是廣義相對論真正要接受考驗的地方。

強大的望遠鏡已經在尋找脈衝星——恆星死亡後留下的緻密核心——信號中的微小變化。很快，全世界的一項共同努力將第一次拍攝到黑洞的樣子。巨大的引力波探測器還將掃描數千個星系，尋找宇宙時空結構中的微小漣漪。

這些實驗——其中一些是有史以來最雄心勃勃的設想——要檢驗的是一個在110年前用鉛筆和紙寫下的理論。不過，大多數物理學家仍然把寶押在愛因斯坦身上。

引力的脈搏

通過使用現有的先進儀器，天文學家得以首次研究宇宙中極端的引力事件，尋找檢驗相對論可能的突破點。目前，檢驗相對論的實驗幾乎都是在太陽系中進行的，但新的望遠鏡和探測器將幫助天文學家探測遠遠超出我們生活範圍的區域，探測在脈衝星周圍高度彎曲的時空中引力是如何作用的。這些極端的天體會發出強勁的輻射波束，像旋轉的宇宙燈塔一樣掃過天空，其規律性

可以和地球上最好的時鐘相媲美。脈衝星極其緻密，一顆質量與太陽相當的脈衝星的體積只相當於一個直徑10千米左右的球體。

迄今，對廣義相對論最知名的檢驗之一便來自一對被稱為PSR B1913+16的脈衝星。也被稱為赫爾斯-泰勒雙脈衝星，以它們的發現者是拉塞爾·赫爾斯（Russell Hulse）和約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）命名。因為這項發現，他們獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。愛因斯坦預言，像脈衝星這樣的緻密天體，如果相互繞轉的話，會在時空中泛起漣漪，就像湖中的水波。這些時空漣漪被稱為引力波，它們的波動十分微小，一道穿過地球的引力波對我們的拉伸作用還不到一個質子的直徑。

根據廣義相對論，隨著時間的推移，輻射出的引力波會帶走這個雙星系統的能量，使得這兩顆脈衝星盤旋著相互靠近。在研究它們的30年中，赫爾斯-泰勒雙脈衝星彼此靠近的速率完全符合愛因斯坦的預言。

從1974年起到今天，天文學家已經在銀河系中發現了數千顆脈衝星。最近發現的一顆脈衝星PSR J0337+1715具有極不尋常的軌道，它和兩顆白矮星組成了一個三星系統，這可以幫助物理學家檢驗廣義相對論的另一個預言——等效原理。該原理認為，引力會以相同的速率加速所有物體，不論其密度和成分如何。

當恆星坍縮成一個超高密度的天體——例如脈衝星或黑洞——時，它的一些物質會轉變成引力結合能。愛因斯坦的理論預言，這些能量應該會和物質一樣受到相同的引力作用。這意味著，上述三星系統中的脈衝星及其近鄰白矮星會以速率被該系統中的第三個天體（另一顆白矮星）吸引。如果並非如此，那脈衝星的軌道就會被擾動，通過測量其發出的脈衝到達地球的時間可以探測這一變化。科學家希望能通過這種方式檢驗強等效原理是否成立。其結果將會比以往得到的精確20倍，甚至可能是100倍或更高。

這些結果預計很快就會問世，但科學家對愛因斯坦很有信心，廣義相對論極有可能通過這一測試。如果不去嘗試，那永遠也不會知道這個理論是否真的會出現問題。

黑洞無毛

脈衝星無疑是緻密的天體，但引力最強大的天體還要數黑洞。天文學家正在嘗試檢驗廣義相對論最極端的預言，即質量足夠大的恆星最終會在其自身引力的作用下坍縮成黑洞。儘管幾十年來的數據都暗示了黑洞的存在，但所有的證據都是間接的，建立在對光線或者其他天體的觀測基礎之上。黑洞本身還從未被直接觀測到過。

眼見為實。天文學家希望能直接拍攝到銀河系中心黑洞人馬座A*的照片，它距離我們26 000光年。要做到這一點，需要使用事件視界望遠鏡。它能綜合遍布全球的10多架射電望遠鏡的數據，應該能夠據此觀測到人馬座A*的邊緣。天文學家懷疑，該黑洞會在射電背景中投下一個圓形的影子。

除了證明黑洞存在，事件視界望遠鏡還會確認或挑戰相對論的另一個關鍵論斷——黑洞無毛定理。黑洞無毛意味著所有黑洞只需要三個物理量即可描述：質量、自轉和電荷。任何「毛」 ——即進入黑洞的物質——本身攜帶的信息，例如化學成分、分子結構，甚至形狀和大小，都會永遠消失在黑洞的事件視界之內。

科學家計劃使用事件視界望遠鏡來研究人馬座A*所投影子的大小和形狀。廣義相對論的無毛定理預言了一個幾乎完美的圓形陰影，而在其他理論中，它呈橢圓形。同樣是為了檢驗這一定理，還有天文學家提出可以跟蹤人馬座A*近旁恆星及其附近脈衝星的運動。黑洞的「毛」會改變黑洞附近這些天體的運動，在未來十年內投入使用的望遠鏡可以探測到這些變化。

如果發現無毛定理存在問題，那無論對廣義相對論還是對黑洞理論都是一個重大的打擊。這將是一個驚喜，意想不到的事情或早或晚總是會出現。在天文學和物理學中，每當我們打開一扇通往此前未知世界的窗口，總會發現一些意料之外的東西。

凝視引力

最後，還有一 組實驗會來檢驗相對論，它們並不採集、分析來自天體的輻射，而是觀測引力本身。激光干涉引力波天文台和室女座引力波天文台將會搜尋這些由數億光年遠的星系發出的引力波。

在這些天文台巨大的L形干涉臂中，激光會在幾千米長的管道中來回穿梭，往返於探測器和反射鏡之間。這些天文台都經過精密的調試，可以探測到引力波對其反射鏡造成的輕微推拉作用，其幅度僅相當於一個質子的千分之一。這些微小的擾動會在探測器接收到的激光中留下可以識別的圖案，物理學家可以通過分析數據來尋找對應的天體系統。激光干涉引力波天文台由兩個位於美國的獨立探測器組成，於2002年投入使用。室女座引力波天文台位於義大利，分別在2007年和2009年至2010年間與前者開展了聯合觀測。所有這些嘗試都沒有探測到引力波。這是一個令人失望但並不

意外的結果。激光干涉引力波天文台的兩個探測器目前正在進行重要的升級，這將使它們能夠探測比此前大1000倍的區域。到2018年，它們將具有足夠的靈敏度來探測源於數萬個星系的引力波。

這些引力波數據將檢驗愛因斯坦有關黑洞自轉速度以及黑洞或中子星間相互碰撞的預言。這些事件極其劇烈，就能量而言，兩個黑洞併合的最終階段釋放的能量，可以超過其所在星系中所有恆星能量的總和。如果引力波數據中存在無法解釋的信號，那就會迫使廣義相對論做出修改。當然，這並非科學家希望看到的。

無往不利

愛因斯坦本人從未真正懷疑過廣義相對論。當被問及一個早期的實驗否定其理論的可能性時，他回答說：「那我就對親愛的上帝感到抱歉。這個理論（廣義相對論）無論如何都是正確的。」根據實驗檢驗的結果，今天的物理學家都認同這一點。如果廣義相對論能在未來的這些實驗中勝出，並不會讓人感到驚訝。

如果廣義相對論真的出現了問題，那也是令人興奮的，但這種興奮喜憂參半。物理學家將不得不與他們手中最美麗的理論之一告別。畢竟，廣義相對論僅用少量的假設即可提供對宇宙的深刻認識，著實是一個優雅的理論。

當

愛因斯坦公布他的廣義相對論時，聽到的並不全是掌聲。因為幾乎沒有人能理解其中的數學，進而了解他提出的抽象概念，當時他也沒有任何證據來支持這個理論。但廣義相對論被提出一個世紀以來，它已經連續不斷地通過了許多嚴苛的檢驗。

廣義相對論至今仍是我們對引力現象最好的解釋。它提出了各式各樣的驚人概念，其中大部分可以歸結為一點：由於彎曲的時空結構，對所有的觀測者而言，引力的行為都是相同的。

就像愛因斯坦自己預計的那樣，從一個煎餅大小的尺度到數百萬光年的範圍，他的這些觀點都已獲得了驗證。在解釋行星反常的軌道和死亡恆星運動的同時，廣義相對論還在與日常生活休戚相關的全球定位系統中發揮了作用。

今天我們使用的廣義相對論，仍是其100年前被提出時的那個樣子，但它在許多不同的條件下依然非常有效。

下面的6個例子，彰顯了愛因斯坦的廣義相對論是如何經受住實驗檢驗的。

1.水星近日點進動：牛頓引力的瑕疵

19世紀中葉海王星的發現也許是牛頓引力定律最偉大的勝利。1846年，法國數學家勒威耶發現天王星軌道異常，並認為可能是由另一顆行星引起的。他利用牛頓引力定律對後者所在的位置進行了預言。僅僅幾個月後，德國天文學家便據此發現了海王星。有趣的是，牛頓引力框架下的另一個軌道異常卻佐證了愛因斯坦的想法。

1859年，勒威耶指出，水星到達其軌道上最靠近太陽的位置——近日點——的時間比「預定」的晚了半秒。水星並沒有嚴格遵照牛頓所說的方式運動。這一現象被稱為水星近日點進動異常，它的數值並不大，只有牛頓引力預言值的10-8。然而，在水星每次為期88天的公轉過程中，近日點出現的位置總是與天文學家預計的不符。

起初，人們認為與天王星問題的解決方案一樣，還有另一顆更為靠近太陽的行星在影響水星的軌道。這顆想像中的行星甚至還有一個名字：祝融。然而，歷經數十年的搜尋，天文學家也沒有發現它的蹤影。

1905年，愛因斯坦登場。他嶄新的理論可以精確地解釋水星軌道的異常，原因就在於太陽的巨大質量造成的時空彎曲。

在其他恆星系統中同樣觀測到了類似的行星近日點進動，也都與廣義相對論的預言完全一致，其中就包括由兩顆中子星構成的雙星系統。中子星是大質量恆星坍縮之後留下的緻密殘骸，直到20世紀30年代都鮮有人相信它們的存在。愛因斯坦的廣義相對論可以完美地描述兩顆中子星之間的相互繞轉。

2.遙遠天體的光線彎曲

解釋水星軌道異常的成功並沒有讓愛因斯坦一躍成為超級巨星。幾年之後，當廣義相對論另一個大膽的預言被確認，這些榮譽才真正到來。愛因斯坦提出，大質量的天體，例如太陽，會彎曲時空，使得掠過它表面附近的光線路徑發生偏折。

愛因斯坦的廣義相對論激起了英國天文學家亞瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）的興趣，他抓住了一個絕佳的機會來檢驗這一偏折效應。1919年5月29日會發生一次日全食，太陽發出的耀眼光芒會被月亮遮擋，而與此同時，太陽會出現在明亮的星團——畢星團——附近。如果愛因斯坦是正確的，太陽的存在會使得畢星團中恆星發出的光線發生偏折，令它們在天空中的位置發生微小的改變。

愛丁頓派出了兩個考察隊——一個前往巴西的索布拉爾，另一個前往西非的普林西比島——去測量日全食時畢星團恆星位置的變化。結果顯示，這些恆星的位置確實如預言的那樣出現了微小的位移。

這一發現成了世界各地的頭條新聞，1919年11月7日的《倫敦時報》用《科學的革命，宇宙的新理論，牛頓理論被推翻》作為文章的題目報道了愛因斯坦和他的理論。作為一個重量級的物理學家，愛因斯坦開始家喻戶曉。

光線穿過彎曲時空產生的引力透鏡現象今天已成為探索宇宙的重要工具。它是愛因斯坦賜予天文學的禮物。例如，前景星系團可以彎曲並放大遙遠背景中原星系的光線，讓宇宙學家可以一瞥宇宙的早期時代。

3.光的引力紅移

還有第三個預言佐證廣義相對論。愛因斯坦認為，這三大經典實驗是證實廣義相對論的關鍵，而第三個實驗是他唯一沒能在有生之年看到的實驗。

根據相對論，當光線離開一個大質量天體時，引力所彎曲的時空會拉伸光線，進而增大它的波長。對光來說，波長等同於其攜帶的能量；可見光的能量越低，看上去就越紅，反之，看上去就越藍；引力使得光的波長增大，就會讓它變紅。廣義相對論預言的這一引力紅移效應十分微弱，直到1959年才被探測到。

在一個電梯豎井的底部，科學家放置了一些放射性鐵的樣品，它發出的γ射線會從底部向上射到屋頂，那裡安放了一台檢測器。雖然跨度只有短短的22.5米，但根據愛因斯坦的預言，在地球引力場彎曲的時空中，這足以讓γ射線損失其能量的百萬億分之幾。

為了進一步證明這個相對論效應，1976年美國航空航天局發射了引力探測器A火箭。這一次，科學家測量的是一個原子鐘里電磁波頻率的變化；光的波長越短，其頻率就越高，反之則越低。在近10 000千米的高空，引力探測器A上的時鐘走得比地面上的稍稍快一點。二者的差為7×10-5，和愛因斯坦的預言相符。

2010年，科學家又向前進了一步，把一台鐘抬高30厘米，發現它走的速度每秒鐘會快4×10-13秒。這是一個夢幻般的實驗，能在這麼小的距離上測出這麼小的差異。由此可以想像，你頭部衰老的速度會比你的腳稍快一點。

在一個更為實際的尺度上，同樣的效應也影響著全球定位系統。為了與地球表面的時鐘同步，這些衛星上的鐘必須每天調整3.8×10-5秒。如果不做這個修正，全球定位系統將無法工作。

4.夏皮羅效應：光的延遲

夏皮羅效應得名於它的提出者歐文·夏皮羅（Irwin Shapiro），這個效應通常被稱為廣義相對論的第四大經典檢驗，旨在測量光線往返A、B兩點間的時間間隔。如果愛因斯坦是正確的，光線在經過大質量天體附近時會花更多的時間。

20世紀60年代初，夏皮羅提出，當從地球上看上去水星位於太陽附近時，利用雷達照射水星並探測其回波可以檢測這一效應。他的計算顯示，太陽的引力場會使得雷達信號到達的時間推遲約2×10-8秒。

這項實驗於1966年開始。從水星返回的雷達波確實發生了延遲，非常接近夏皮羅的預言，但兩者符合得並不夠好。

因此，為了進一步檢驗夏皮羅效應，物理學家決定棄用行星——因為其粗糙的表面會散射一部分雷達信號，而改用更好的目標——無人航天器。1979年，著陸火星的「海盜」號為驗證夏皮羅效應提供了一個極為難得的機會。2003年，科學家又在飛往土星的「卡西尼」號探測器的信號中探測到了這一時間延遲效應。它們的測量結果都與廣義相對論的預言相符。「卡西尼」號實驗的精度達到了2×10-5，比「海盜」號的精度高50倍。

5.下落的科學——等效原理

廣義相對論的基石在於等效原理。它指出，在引力場中，物體以相同的速率下落，與它的質量或結構無關。在此基礎上，這一原理還指出，在一個給定參考系中的其他物理學定律都應該不依賴當地引力場的強度；換句話說，在飛機上拋一枚硬幣和在地面上拋的效果是一樣的。更進一步，無論是在宇宙中何時何地進行的實驗，其結果都應該相同。因此，大自然的規律無論在時間上還是空間上都是處處相同的，這樣一路可以追溯至宇宙大爆炸。

400年前，等效原理就有了第一個佐證。傳言，1589年義大利天文學家伽利略在比薩斜塔上做了兩個球體自由下落的實驗。這兩個球體受到的空氣阻力很小，雖由不同的材料製成，卻在同一時間落地。近400年後，1971年在月球上又重新上演了這一幕。「阿波羅15」號的宇航員戴維·斯科特（Dave Scott）同時鬆開了手中的一個鎚子和一根羽毛。在沒有空氣的月球環境下，鎚子和羽毛一起落下，同時擊中月球表面，再現了伽利略的實驗。儘管它們的成分不同，但下落的速度一樣。

「阿波羅」號的宇航員還在月球表面安裝了激光反射鏡。這些鏡子能反射從地面發出的激光，進而精確測量月球與地球的距離，誤差只有幾毫米。這些測量的結果可以對等效原理進行嚴苛的檢驗。迄今，數十年來的激光測月數據顯示，其和廣義相對論預言的差別不足10-14。

和伽利略以及斯科特的自由落體實驗一樣，這些測量也證明，在太陽的引力場中，地球和月球受到的加速度相同。

6.時空、自轉與拖曳

愛因斯坦的時空概念實際上有點類似某種膠質。有一個著名的比喻，把地球想像成一個放置在蹦床上的保齡球。大質量的地球會導致時空蹦床出現凹陷，使得在其附近運動的物體軌跡因為這一彎曲而發生改變。但蹦床的比喻僅僅是廣義相對論整個物理圖像的一部分。如果廣義相對論是正確的，一個旋轉的大質量天體還會拖動時空和它一起攪動，就像在蜂蜜中轉動一把湯勺。

1960年前後，物理學家想出一個可以同時檢驗這兩個預言的實驗。第1步：在人造地球衛星上放置陀螺儀。第2步：將衛星和陀螺儀對準同一顆參照星。第3步：測量陀螺儀指向的變化，看看它是否與地球引力場的曳引效應相符。

這個實驗所需的技術在44年後才變得可行，總共耗資7.5億美元。這個儀器後來被命名為引力探測器B（引力探測器A的後續）。2011年發布的結果來之不易：這一實驗的精度超乎以往，因此其數據分析成了一項巨大的挑戰。不過最後，測量結果再次支持了愛因斯坦，地球確實會拖動周圍的時空與它一起轉動。

在過去的100年中，廣義相對論的表現優異，但對它的檢驗還遠沒有結束。雖然已有許多令人印象深刻的嚴苛實驗，但沒有人在強引力場中，例如黑洞附近，對廣義相對論進行檢驗。鑒於此前的實驗結果，在這些極端環境下，愛因斯坦的理論可能依然堅如磐石，但也有可能會完全顛覆我們的認識。

未來，我們將在更深的層次上探測廣義相對論的預言，對它的實證檢驗也將會繼續。

為什麼科學家熱衷於證明愛因斯坦是對的或是錯的呢？這絕非因為他是一個傑出人物、他的名字等同於天才以及他在一個多世紀前的工作深刻地重塑了物理學。相反，這背後的動力源自引力本身，因為它一直是物理學中的「刺兒頭」。

包括愛因斯坦在內，物理學家早就希望能提出一個宇宙的統一理論，他們一直在努力讓引力與其他基本作用力相融合。其結果是，現在我們有一個引力理論，即愛因斯坦的廣義相對論，和一個獨立的有關其他所有基本作用力的理論，即粒子物理學的「標準模型」——量子理論。不幸的是，這兩個極為成功的理論是不相容的，有時甚至是相互矛盾的。

物理學家對此並不滿意，他們相信應該存在一個統一的理論可以涵蓋大自然的一切。實現這一長期訴求的線索可能就隱藏在更深入地了解在什麼樣的情況下廣義相對論會失效之中。

這也正是科學家一直致力把這個理論推向它的極限的原因——看看它會在什麼地方出現問題，從而找到把引力與物理學的其他部分相連接的最佳途徑。