“超越愛因斯坦”

20年之內，廣義相對論的很多預言是否正確將得到驗證，同時，現代天文學和宇宙學也將翻開新的一頁。

大多數物理學家相信愛因斯坦的理論將繼續延續其生命，并且會被新的數據加強其地位。但現在，在他的“不可思議之年”過去一個世紀后，全球各地的物理學家策劃了一個野心勃勃、花費數十億美元的計劃來挑戰愛因斯坦的廣義相對論。

狹義和廣義相對論做了很多預言，其中有一些已經得到了很好的驗證，比如它預言光線在引力作用下將產生彎折，這在1919年就由當時任英國皇家天文學會會長的愛丁頓等人在一場日食發生時得到了驗證；預言運動的物體質量變大，這在解釋水星進動的過程中就得到了驗證；預言在高速運行的物體上時間將變慢，這也借助于測量高速運行的放射性元素的半衰期而得到了驗證。但還有一些預言，比如引力有質量、存在引力波、黑洞的存在，等等，還沒有得到很好的驗證。

由多艘太空船組成的艦隊在接下來的20年中將直接檢驗相對論中一些最具戲劇性的推論：時空結構的波狀起伏(引力波)是否真的存在；空間中是否真的有黑洞存在在那里引力如此強大，光都無法逃脫；它們還要尋找宇宙大爆炸和新近發現的“暗能量”在遙遠的早期宇宙里留下的烙印。

尋找引力波

NASA的“超越愛因斯坦”計劃將兩個現存的項目“激光干涉計安特娜空間計劃”(LISA)和“星群-X計劃”(Constellation-X)綁在了一起。它預想了一系列設計，用來對愛因斯坦所提出的一些最基本問題進行新的探索，研究黑洞并回顧宇宙大爆炸。

2003年2月，該計劃閃亮登場后，贏得了美國議會的支持以及NASA為2004年要求的預算中的5900萬美元。對于一個在最初五年預估成本為7億6500萬美元的計劃而言，這是一個幸運的開始。

LISA由三艘太空船組成，它們將編隊飛行——分別處在大約500萬公里寬的三角形頂點上，由激光束連接共同行動的指令。當引力波經過時，時空將被伸展或壓扁到足夠的程度，并改變這三個人造衛星的相對位置，這個改變是以毫米為分數來計算的。LISA將能夠看到在地球天文臺上看不到的引力波，部分是因為人造衛星之間廣闊的距離使它更加靈敏。

“如果能看到一個實質上的信號，成功的機會就比較大。”位于科羅拉多的聯合天體物理學實驗研究所的引力物理學家Peter Bender說，LISA應該能夠搜集到從各種各樣的“能量事件”(星系中心的大型黑洞合并、超新星爆發等)中發出的引力波。

觀察黑洞和暗能量

檢測到從這些事件中發出的波將不僅僅證實愛因斯坦預言的引力波是真實存在的，而且也將告訴天體物理學家黑洞的性質和星系的形成過程。天文學家認為，小的星系合并成大的星系，在小星系結合過程中，其中心的黑洞也結合。因此通過聆聽黑洞碰撞時引發的波，科學家也能夠直接驗證星系如何誕生的觀點。黑洞是無法直接觀察的，Constellation-X將通過觀察高能粒子來觀察黑洞。接近黑洞的物質非常熱，放射出X光射線；當一大塊物質掉入，黑洞巨大的引力場將把那些X光射線的波長扯長。“你可以看到(一個黑洞的X光發射)隨著時間而改變。”哈佛-史密斯索尼恩天體物理學中心的天體物理學家Michael Garcia說，“你能觀察到它從光譜的藍端移動到紅端。”借助于觀察這些變化，探測器能幫助物理學家在黑洞的邊緣繪制時空。

“超越愛因斯坦”計劃還包括三個探測器來作為那兩個大型天文臺的補充。

“暴漲探測器”將通過測量充滿了宇宙的微波背景輻射，來探測在宇宙大爆炸那一刻釋放出來的引力波。“黑洞發現者探測器”將搜索更大部分的天空，來尋找黑洞的線索，這將幫助科學家為Constellation-X挑選目標。“暗能量探測器”，將通過觀察超新星，使天體物理學家靠導向目標追蹤暗能量的屬性，這種神秘的能量是一種引起宇宙加速膨脹的反引力力量。

抱歉，愛因斯坦！

但負責“超越愛因斯坦”計劃的這個艦隊什么時候將被發射現在成了一個問題。2004年初，NASA在這個項目上突然剎車。當布什總統2004年1月宣布，NASA將集中精力在機器人和對月球、火星的探索上之后，“超越愛因斯坦”計劃因為和這一目標不吻合，開始變得步履蹣跚。布什政府削減了這一計劃的部分預算，這個計劃的很多部分坐了冷板凳。

“我真誠地希望‘超越愛因斯坦’計劃能夠存活下來。”Garcia說，“我想它已經遭受了打擊。”很不幸，愛因斯坦的麻煩也許是：他已不再是NASA宇宙研究的重要部分了。

2004年8月，NASA和歐航局(ESA)一致同意一起來完成組成LISA的兩個獨立任務，各方總投入多達10億美元。但是這些技術無與倫比的復雜性已經造成了成本超額，使計劃耽擱。兩個最困難的工程挑戰將是：LISA人造衛星的內臟必須保持在大約以毫微米(10億分之1米)計算的正確的軌道上；必須保證像太陽光和宇宙飛船本身的電子系統這樣的干擾不會影響到測量。

不過天文學家仍然有信心，認為“超越愛因斯坦”計劃將最終得勝。“明智者將看到這些項目提供了一扇嶄新的宇宙之窗。”他們說，“‘超越愛因斯坦’不會消失。這個計劃有足夠的科學威望，必須被執行，盡管它也許會比預期的要緩慢些。”