超越愛因斯坦

謝懿

為什么科學(xué)家熱衷于證明愛因斯坦是對的或是錯(cuò)的呢？這絕非因?yàn)樗且粋€(gè)杰出人物、他的名字等同于天才以及他在一個(gè)多世紀(jì)前的工作深刻地重塑了物理學(xué)。相反，這背后的動力源自引力本身，因?yàn)樗恢笔俏锢韺W(xué)中的“刺兒頭”。

包括愛因斯坦在內(nèi)，物理學(xué)家早就希望能提出一個(gè)宇宙的統(tǒng)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(jié)果是，現(xiàn)在我們有一個(gè)引力理論，即愛因斯坦的廣義相對論，和一個(gè)獨(dú)立的有關(guān)其他所有基本作用力的理論，即粒子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”——量子理論。不幸的是，這兩個(gè)極為成功的理論是不相容的，有時(shí)甚至是相互矛盾的。

物理學(xué)家對此并不滿意，他們相信應(yīng)該存在一個(gè)統(tǒng)一的理論可以涵蓋大自然的一切。實(shí)現(xiàn)這一長期訴求的線索可能就隱藏在更深入地了解在什么樣的情況下廣義相對論會失效之中。

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

一切皆等效

科學(xué)家認(rèn)為，等效原理——廣義相對論的核心原則——是大有可為的一個(gè)突破口，可以引導(dǎo)他們走向最終的萬有理論。簡單地說，等效原理認(rèn)為，在同一引力場的影響下，所有物體都會受到相同的加速度，而無關(guān)它們的質(zhì)量或組成。

這一策略的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，到目前為止，每一個(gè)被提出的統(tǒng)一理論都會引入新的作用力，它會細(xì)微地改變引力與物質(zhì)相互作用的方式。如果這些理論正確且我們能測量得足夠精確，就應(yīng)該看到等效原理出現(xiàn)微小的偏差。換句話說，一塊金磚會與一塊銀磚有著不同的下落速度。對這些差異進(jìn)行詳細(xì)的分析可以為物理學(xué)家構(gòu)建一個(gè)正確的統(tǒng)一理論提供有價(jià)值的線索。

盡管科學(xué)家相信這一等效原理的破缺應(yīng)該存在，因?yàn)樗性噲D把愛因斯坦的理論與其他作用力相統(tǒng)一的嘗試都會破壞等效原理?？墒牵覀冞€不清楚它會在哪個(gè)層面上表現(xiàn)出來。

在地球上已進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，等效原理在十萬億分之一的精度上仍是成立的。不過，太空中的實(shí)驗(yàn)，例如等效原理衛(wèi)星檢驗(yàn)項(xiàng)目（STEP），則可能會對其進(jìn)行更嚴(yán)苛的測試，把測量精度再提升100 000倍。一些理論預(yù)言，這一精度足以向物理學(xué)家展示愛因斯坦的理論會在何處開始出現(xiàn)問題。

下一步

STEP始于1971年，當(dāng)時(shí)是一個(gè)研究生的畢業(yè)論文。與其差不多同時(shí)代的還有引力探測器B計(jì)劃，它是一顆由美國航空航天局出資建造的衛(wèi)星，驗(yàn)證了愛因斯坦理論的另一個(gè)預(yù)言。

STEP有望顯著提高等效原理的檢驗(yàn)精度。在地面上，這些精密的測量很難進(jìn)行，因?yàn)閺慕诸^的交通到大地的震顫等各種干擾無處不在。太空為此提供了一個(gè)更為安靜的場所。

它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是觀測時(shí)間。舉例來說，你從比薩斜塔上丟下不同大小的球體，它們自由下落的時(shí)間只有幾秒。你若在太空中下放物體，它們會在軌道上不斷落向地球。這使測量可以持續(xù)很長一段時(shí)間——數(shù)天甚至更長，科學(xué)家可以有很多的時(shí)間尋找微弱的效應(yīng)。

STEP計(jì)劃使用四對測試質(zhì)量，它們分別由至少三種不同的材料——例如鈹、鈮和鉑銥合金——制成。在真空中，它們會被冷卻到只有幾開的低溫，這可以削弱溫度造成的波動，提高測量精度。這些材料的選擇是為了盡可能反映出化學(xué)特性的差異，以便更容易地探測出它們之間加速度的差異。這也是為了精密地測量不同成分的物體是否會具有不同的下落加速度。

雖然STEP這個(gè)概念已經(jīng)問世幾十年，科學(xué)家也一直在努力推進(jìn)，它也獲得了研發(fā)的支持，卻始終沒有得到實(shí)質(zhì)性的經(jīng)費(fèi)資助。不過，科學(xué)家仍然相信STEP是人類可以追求的最關(guān)鍵的基本物理學(xué)實(shí)驗(yàn)之一。對STEP來說，真正的壞消息是2004年美國航空航天局終止了其所有的基本物理學(xué)項(xiàng)目，自那時(shí)起，它的經(jīng)費(fèi)一直維持在最低限度上。

不過，科學(xué)家仍然抱有希望。2004年發(fā)射的引力探測器B衛(wèi)星就經(jīng)歷了40年的研發(fā)歷程。STEP的歷史也差不多與之相當(dāng)。

美國海軍將領(lǐng)約翰·保羅·瓊斯曾說：“我還沒有開始戰(zhàn)斗。”運(yùn)氣好的話，STEP興許也能峰回路轉(zhuǎn)。也許它最終會發(fā)現(xiàn)愛因斯坦理論中的裂隙，帶領(lǐng)我們走向一個(gè)全新且無所不包的宇宙理論。