相對論、引力理論和宇宙學的發展

作者簡介：張元仲，中科院理論物理所研究員，曾任中國《物理》雜志副主編、英國《經典與量子引力》雜志編委以及《國際純粹與應用物理聯合會》天體物理委員會委員。研究方向為相對論、引力理論與宇宙學。發表論文一百三十余篇、科普文章等二十余篇，出版關于相對論中文專著一本、英文專著二本。

十九世紀末、二十世紀初，電磁學的許多實驗與牛頓理論的矛盾都很尖銳。為此，一些物理學家意識到牛頓理論存在問題以及新理論將必然產生。1905年，愛因斯坦以狹義相對性原理和光速不變原理為基礎建立了狹義相對論（四維平直時空理論），該理論以慣性系之間的洛倫茲坐標變換代替牛頓理論中的伽利略變換，因而要求一切物理定律在洛倫茲坐標變換下保持不變（即“狹義相對性原理”）。

在1905年之前，物理學理論都是以牛頓絕對時間和空間理論為基礎的。既然狹義相對論比牛頓絕對時間和空間理論更接近物理現象中的時空結構，那么我們就必須修改這些經典物理理論使之滿足狹義相對論的要求。在愛因斯坦的第一篇關于狹義相對論的論文中已經把牛頓力學第二定律修改成了相對論力學，而且還使真空中的電動力學滿足了狹義相對性原理；在1908年，閔柯夫斯基給出了滿足狹義相對性原理的運動介質中的電動力學。另一方面，狹義相對論問世之前，用牛頓理論計算出來的水星近日點的進動數值比觀測值每百年大約小43角秒，這表明牛頓萬有引力定律不夠精確。但是，如果仍然把時間和空間看作是平直的來修改牛頓萬有引力定律的話，則無法解釋這43角秒。為此，愛因斯坦借助于彎曲空間的黎曼幾何才得以把牛頓引力理論推廣成與狹義相對論相容的廣義相對論（一種彎曲時空中的引力理論）并于1916年公布。此外，后來發現在微觀粒子之間還存在弱相互作用和強相互作用，與之相應的理論是相對論性的現代基本粒子理論。

狹義相對論的許多預言，已經得到了很多實驗驗證，例如時鐘變慢效應、長度收縮效應、慣性質量與運動速度的關系、能量與質量的關系、光子無靜止質量等，更高精度的衛星檢驗正在計劃之中。另一類證據就是現代基本物理理論的成果，即廣義相對論、量子電動力學、基本粒子理論等理論的成功也是狹義相對論的證據。狹義相對論在理論上一直沒有什么新的發展。

等效原理是廣義相對論的兩個基本假設之一，其中包含了（伽利略）弱等效原理，即引力質量與慣性質量相等。從牛頓開始直至今天已經在不同技術條件下進行了很多檢驗。目前的最高精度的實驗表明，兩個不同材料物體在引力場中自由下落的引力加速度的相對差別Δg/g在10^-12到10^-13的精度上沒有發現等效原理的破壞。更高精度的地面實驗室實驗由于技術上的困難已經很難實現了。因此，地球衛星上的等效原理實驗已經準備了多年，例如法國的等效原理實驗MicroSCOPE小衛星預計于2010年發射，設計精度為10^-15。

廣義相對論的直接實驗檢驗也有很多，例如光頻譜的引力紅移、水星和其它行星近日點的進動、光線的傳播方向在引力場中的偏折、雷達回波的時間延遲效應等都被很多實驗觀測證實，但是在地面實驗室提高精度也已經受到環境和技術條件的限制，所以人們開始設計空間的實驗方案。廣義相對論的另一類預言，例如中子星天體、引力透鏡都已經被天文觀測證實，星系核心的超重黑洞已經有了強有力的證據。

陀螺自轉軸的進動： 廣義相對論還預言，在衛星軌道上的陀螺自轉軸的方向會相對于遙遠的恒星方向產生進動。為了檢驗這種效應，美國于2004年4月20日發射的引力探測器（GP-B）衛星至今已經運行了四年多，測量數據的分析結果有待公布。

光線偏折和引力透鏡：光線在不均勻引力場中（特別是在大質量物體附近）的傳播方向因其受引力作用而改變。這種效應已經被很多天文觀測所證實。另外，如果在發光的天體與地球之間存在強大的引力源，光線偏折效應可以產生該天體的“像”，那么我們看到的不再是一個天體而是兩個（或兩個以上）相似的天體（“引力海市蜃樓”），這種強大的引力源被稱為引力透鏡。第一個引力透鏡現象是在1979年發現的。 1988年發現有四個類星體的“引力海市蜃樓”，后來還找到了包含更多像的“引力海市蜃樓”。由于星系的空間區域大，星系的像會呈弧形或圓環。至今已經觀察到了很多“引力海市蜃樓”事例。

廣義相對論預言了引力波，引力波的探測是物理學家長期而艱巨的重大任務。上世紀八十年代以后，物理學家們的興趣已經從實驗室引力波天線探測器轉移到大型的地面和空間探測裝置。引力波存在的間接證據是，宇宙中的雙星（中子星）由于引力輻射損失動能而使它們的軌道周期減慢；1974年Huls 和Taylor 發現了脈沖雙星PSR1913+16，他們對該雙星的軌道周期變慢進行的多年觀測結果與廣義相對論的預言值很好地符合。為此，他們榮獲了1993年的諾貝爾物理學獎。為了探測來自宇宙的各種不同波段的引力波，近年來國際上已經或正在建造大型的地面和空間引力波天文臺。例如，在意大利建造的（法國和意大利合作的）“Virgo”引力波探測儀；在美國路易斯安那州建立的二個臂長均為4公里的直角激光干涉儀引力波觀測站（LIGO）；英德聯合建在德國漢諾威的長600米的GEO項目；建在日本東京附近長300米的TAMA項目；在南半球的澳大利亞正在建造一個僅80米長的引力波探測器（Perth）。以上這些引力波探測器構成了異地觀測網絡。此外，歐洲和美國的聯合項目--激光干涉空間天線（LISA）是由三顆衛星組成的三角形激光干涉儀，其三角形的邊長為500萬公里，可以探測低頻率低強度的引力波。

黑洞是廣義相對論預言的最為奇特的天體，它不發光，任何物質包括光子只能從外部進入黑洞而不能從黑洞逃逸。但是黑洞天體吸引周圍物質而形成吸積盤，由于其極強的引力場以及物質不斷落入黑洞，所以會產生X射線和氣體噴注。天文觀測表明，星系（包括我們銀河系）的中心都存在一個超大質量的黑洞，其周圍吸積盤也產生X射線和氣體噴注。最近，在歐洲核子中心運行的大型強子對撞機（LHC）計劃觀測微觀黑洞的存在。黑洞理論的研究一直是理論物理中的前沿熱點課題，黑洞也存在四個熱力學定律（“黑洞熱力學”）。1974年，霍金依據黑洞附近的量子場論發現黑洞會以熱輻射的形式輻射出物質（即“霍金輻射”）。但是“霍金輻射”對普通天體大小的黑洞的影響微不足道。目前，人們在理論方面重點研究有關黑洞的問題包括黑洞形成和隨后輻射過程中信息丟失的問題、黑洞熵的統計自由度問題、全息原理等。

量子引力和超弦理論：廣義相對論作為一種經典場論同樣需要量子化，即建立起引力場的量子化理論，即量子引力。但是由于理論上的困難，迄今為止還沒有成功發現這種理論（包括圈量子引力理論仍在探索之中）。單獨把引力場量子化或者把四種基本相互作用的大統一理論量子化是追求引力場量子化的不同途徑。后者的研究產生了超弦理論（包含了費米子和波色子之間的對稱性）。

額外維度和膜宇宙：我們的宇宙是四維時空（三維空間、一維時間）。大統一理論的時間仍是一維的，而空間的維數則大于三維；這種超過三維的空間維度稱為“額外維度”。最早的高維理論是五維（四維空間和一維時間）的卡魯查－克萊因統一理論，自洽的超弦理論是十維的。值得一提的額外維度的模型是1998年的膜世界圖像（ADD模型）。這個模型預言，在亞毫米尺度上引力定律會偏離牛頓引力的反平方定律，為此而進行的許多實驗還沒有觀測到這種偏離。

宇宙學：廣義相對論給出的（標準）大爆炸宇宙模型所預言的宇宙年齡、宇宙微波背景輻射、輕元素的原初豐度等已經被天文觀測證實。但是在理論上有很多困難，例如“奇性困難”、“平坦性困難”、“視界困難”、“大尺度結構和星系的形成問題”等。從1982年開始發展起來的“暴漲宇宙學（即宇宙在極早期經歷的極短時期的加速膨脹）”很好地解決了除“奇性困難”之外的其它困難。

近些年來，天文觀測取得了一系列重大成果：1989年發射的宇宙背景探測器（COBE）精密測量了宇宙微波背景輻射的黑體譜并發現其各向異性；1998年對超新星的觀測發現宇宙在加速膨脹，揭示了宇宙常數（后來稱之為暗能量）的存在；2003年以來利用威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）獲得了宇宙微波背景輻射的更精確結果；斯隆數字巡天（SDSS）獲得了對大尺度結構及超新星的精確觀測；這些觀測結果進一步支持了大爆炸宇宙學、以暗物質和暗能量為主導的暴漲宇宙模型，并開啟了“精確宇宙學”時代的大門。現在知道，宇宙物質的組成圖像是：普通物質約占4％，暗物質約占23％，暗能量約占73％。

長期以來，對暗物質的研究都是物理學研究的熱點課題，它是聯系宇宙學和微觀粒子物理的重要橋梁。暗物質不發光且與普通物質的相互作用非常微弱，只能通過它與普通物質的引力相互作用來感知它的存在。成團的暗物質可以成為引力透鏡，所以引力透鏡的觀測已經在從星系到更大尺度上證實了暗物質的存在。組成暗物質的可能候選者很多，如冷氣體、暗行星、冷卻的白矮星、黑洞、中微子和其他的一些基本粒子等，但是至今沒有定論。所以，在理論和實驗兩個方面研究和尋找暗物質仍然是今后物理學研究的熱點。目前世界上已經建造或計劃建造許多實驗裝置用來探測暗物質。隨著靈敏度的不斷提高，暗物質之謎必定會被揭開。

暗能量是近年宇宙學研究的一個里程碑性的重大成果。暗能量不成團（這與暗物質很不相同），在宇宙中幾乎均勻分布。研究暗能量的本質成為新的物理理論和觀測的重大課題，為此各種不同的暗能量模型應運而生，這些模型中的暗能量可以是宇宙常數，也可以是一種隨時間緩慢變化的動力學場（如精質場）的能量。此外，還提出了Phantom（幽靈場）、K-essence、Quintom、快子場以及修改廣義相對論的高維空間理論和全息原理等。然而目前已知的暗能量候選者都還不能自然地解釋暗能量問題。解決這一問題或許需要新的理論，這樣的理論很可能是包括引力在內的各種相互作用統一的量子理論。這將是一場重大的物理學革命。

(欄目編輯廖伯琴)