檢驗廣義相對論，還要經歷“三重門”？

我們知道，一個自然科學的理論哪怕已通過了99次檢驗，但若最后一次栽了，也會被科學家無情地拋棄。

作為關于時空的理論，廣義相對論自然也沒有“免檢合格”的權利。雖然在過去的一個世紀，它在各種挑戰面前屹立不倒，但對它的檢驗還會持續下去。尤其考慮到過去的檢驗都是在弱引力場中開展的，科學家期望未來能在中子星、黑洞等天體附近的強引力場中一試它的對錯。屆時，這個一世紀前愛因斯坦靠一張紙、一支筆搞出來的理論，將遭受更加嚴格的審查。

觀察脈沖雙星的軌道變化

這類實驗事實上在上世紀已經開展過一次。宇宙中有一類超級致密的天體叫“脈沖星”。脈沖星是一種中子星，以其明亮的光束在天空中像燈塔一樣定期掃過地球（精度可與地球上最準的時鐘相媲美）而得名。一顆太陽質量的脈沖星，其直徑僅有20千米左右。

有一對叫“赫爾斯-泰勒”的脈沖雙星尤為廣為人知。廣義相對論預言，當兩顆脈沖星彼此繞著對方公轉時，在時空中會產生波動，類似湖水中的漣漪，叫引力波。隨著時間的推移，雙星系統因持續發射引力波而消耗了能量，導致兩個天體在旋轉時彼此靠得更近。從上世紀60年代開始，兩位美國天文學家對“赫爾斯-泰勒脈沖雙星”進行了長達30年的跟蹤觀測，證實這對脈沖雙星其橢圓軌道的半長軸每年縮短了3.5米。這個結果完全與愛因斯坦的預言相符。這項成果讓他們獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。

自“赫爾斯-泰勒脈沖雙星”發現以來，迄今天文學家又在銀河系內發現了上千顆脈沖雙星。這讓科學家今后有更多的機會開展這方面的驗證實驗。

直接觀察黑洞

雖然脈沖星是致密的，但真正致密的卻是黑洞，而黑洞的存在正是廣義相對論最偉大的預言之一：質量足夠大的恒星在自身引力作用下將不可避免地坍縮為一個密度無限大的天體。

盡管數十年以來的數據表明，黑洞是確實存在的，但所有這些證據都是間接的，是基于黑洞對光或者其他天體的效應觀察得來的。迄今，天文學家并沒有直接觀察到黑洞。用時下的話說，黑洞其實還只是一個“傳說”。

凡事眼見為實。如果直接觀察到黑洞，那就再一次證實了廣義相對論。目前，一部分天文學家正打算利用由分布在全球的天線陣列組成的一個超大望遠鏡（簡稱EHT），給潛藏于銀河系中心的超大質量黑洞半人馬座A*拍攝一張照片。

除了試圖證明黑洞的存在，天文學家還打算利用觀測結果檢驗廣義相對論的另一個關鍵推論，即黑洞無毛定理。美國杰出的理論物理學家約翰·惠勒曾俏皮地說“黑洞無毛”，其意思是，所有黑洞除了可用三個特征區別之外，在其他方面都是完全一樣的。這三個特征是：質量、自轉和電荷。任何“毛”——也就是關于落入黑洞物質的任何信息，如物體的形狀、尺寸、化學組成等等——在黑洞視界以內都統統消失了。

借助EHT望遠鏡，天文學家計劃研究半人馬座A*的尺寸和形狀。黑洞無毛定理預言半人馬座A*將是一個近乎完美的球形，但如果違反了廣義相對論，即黑洞并非“無毛”，那么它將會是一個橢球形。此外，若黑洞“有毛”，還將會改變黑洞附近天體的運動軌道，這些變化也是可以被EHT望遠鏡探測到的。

探測引力波

對廣義相對論的最后一項檢驗是眾所周知的探測引力波。

廣義相對論預言，致密的天體在運動時會發射引力波。引力波是時空本身的波動，所以當引力波傳來時，會在傳播方向上引起物體尺寸的伸縮。譬如一個原本立方體的物體，此時就不再是嚴格的立方體了。不過，盡管引力波在發射之初可能是很強的，但等到傳到地球，信號就大幅度衰減了，以至于我們要用非常精密的儀器才能探測到。

上世紀60年代以來，在歐洲和美國已相繼建成數個用于探測引力波的龐大精密的引力波激光干涉儀。這些儀器是如此得精密，哪怕引力波引起的時空波動小到一個質子直徑的千分之一，也能夠識別出來。但遺憾的是，在這方面迄今依然毫無斬獲。科學家把這歸因于引力波信號實在太小或者這些儀器在天空中的掃描范圍有限所致。他們打算在未來的歲月里，一方面繼續提高儀器的精密度，另一方面擴大掃描范圍。預計到2018年，正在修建的一架引力波激光干涉儀的掃描范圍將比之前擴大1000倍。

這些就是可預見的將來廣義相對論所要通過的“三重門”。這些實驗正在緊鑼密鼓地籌備著。盡管廣義相對論如果被證明是有缺陷的，那將會是非常激動人心的事情，不過大多數物理學家打賭：贏家還會是愛因斯坦。

至于愛因斯坦本人，則一刻都沒有懷疑過他的理論的正確性。記得當年有人問他早期的一項實驗如果不符合他的理論怎么辦時，他回答說，“那么我會對親愛的上帝感到遺憾。這個理論不管如何都不會錯的。”

（本文源自大科技*科學之謎2015年第12期文章）