重力理論將指導科學界新方向？

廣義相對論的新應用

在未來的幾十年裡，完成由愛因斯坦所最先提出，但一直未盡的理論可能會成為很長一段時間裡科學界最重要的事情。

雖然世界上只有少部分人能夠充分理解廣義相對論，但它仍給予了愛因斯坦享譽全球的聲譽以及來自Time雜誌“本世紀最具影響力人物之一”的褒獎。上週在班加羅爾舉行的弦會議上，來自物理界的權威學者們一起參加了一個特殊環節，慶祝偉大的重力理論提出一百週年。

一個科學家在會議上對一個理論物理學家能成為“本世紀最具影響力人物”感到自豪。就在物理學家們歡慶愛因斯坦的這個偉大成就的同時，他們也在努力突破這項理論，測試它的極限，並將其延伸並替換以期應用到新的領域去。

在總理莫迪面前擺著的眾多提議之間，有一項100億盧比的提案，要求建立鐳射干涉引力波觀測臺（LIGO），一個極其複雜的用於偵察愛因斯坦理論中預測存在的引力波的裝置。

印度的LIGO將成為全球引力波探測網中的一部分，並在一定時候作為宇宙觀測的新視窗。某些物理學家認為，即使引力波的存在已經被證實，但對其直接的觀察仍然能夠對現有的物理理論產生重大影響。

幾個月之後，在美國的兩個升級版LIGO將會進入其第一次觀察期。“我們的敏感度比世紀處十年的時候高得多。”雪城大學引力波小組的物理學教授Peter Saulson說。

LIGO實驗將長期進行下去。同時，兩個天文臺在歐洲正在更新中，它們將加入已經升級了的LIGO（也被稱作高新鐳射干涉儀引力波天文臺）一起參與對引力波的探測。歐洲科學家們在計劃未來更宏偉的目標。

歐洲空間局在研發一個計劃於2020年發射的探測器。這個叫“歐幾里得”的探測器將勾勒出黑暗宇宙的結構，一個我們只知存在但無法觀測的部分。實際上，我們現在可以觀測到的也僅僅是4%的宇宙。

當這些實驗將最大限度地測試廣義相對論的同時，理論學家們也在嘗試對愛因斯坦的理論進行延伸或修改以便將其應用於看似不相關的領域。其中一個奇特的領域便是黑洞，這個理論所預言存在的坍塌的超大質量星。愛因斯坦的理論將與這些恆星一起坍塌，因為理論本身提出了一個擁有無限密度的奇點的可能性。

奇點背後的數學並不複雜，但沒有人知道它物理上的意義。物理學家們對於在特定時間一個物體撞向恆星表面會發生什麼是無法給出一個精確的預測的。但有了愛因斯坦的引力理論，這都將不是問題。

“經典的引力理論遭遇奇點問題，”印度理工學院馬德拉斯分銷的物理系副教授L Sriramkumar說，“它需要透過量子引力理論被解決。”

現代物理的支柱

在愛因斯坦發表廣義理論的兩年後，他引進了一個現在被稱為宇宙學常數的東西，調整了他的公式。這樣一來，他便可以使宇宙在引力的牽引之下保持穩定。在那個時候來，科學家們認為宇宙是穩定的。後來，我們發現它其實一直在膨脹，而且愛因斯坦將宇宙學常數稱為他的最大錯誤。

最近，宇宙學常數又因為神秘的暗能量在空間中理應是將星系越來越快地分開的問題而再度被提及。沒人知道為什麼。目前，解決這個問題是整個科學界最大的努力方向。

更大的問題是愛因斯坦的引力理論與量子力學（現代物理中的另一個描述小規模物質的理論支柱）的統一。量子力學在解釋物質的行為上十分成功，也被驗證了無數次。但是，廣義相對論與量子力學卻是互相矛盾的。

兩者可能都是一個尚未被研究出來的更為廣義的理論的一部分。物理家們認為引力理論與量子力學的統一是理論物理界最大的難題。這些是重要的問題，而且他們的解決方法將會更新我們對宇宙的認知，就像愛因斯坦在撰寫他的理論的時候一樣。

當他開始研究廣義相對論的時候，愛因斯坦已經用一些重要發現改變了物理界的程序。在1905年，他發現了著名的E=MC2方程。他撰寫了狹義相對論，一個關於時間與空間關係的理論。愛因斯坦解釋了布朗運動（物質在液體表面的蠕動），從而證明了原子和分子的存在。他發現了光電效應，而且以此獲得了諾貝爾獎。

但更艱鉅的任務還在前頭。早在愛因斯坦之前兩個世紀，艾薩克牛頓做出了一個驚人的突破。他發現落下的蘋果和轉動的星球是由同一原理指導的，也就是我們現在所熟知的平方反比引力公式。

牛頓能夠計算兩個分開物體之間的力，但他無法解釋這個力是如何跨越距離產生的。在他1905年的突然出版後，愛因斯坦開始研究重力。他還是一個默默無聞的專利事務員，只在閒暇時間研究物理。

接下來十年，愛因斯坦撰寫了一個沒有實驗資料驗證，純粹由公式推匯出來的最複雜最美麗科學理論之一。“即使它沒有應用的意義，”T Padmanabhan，一個來自浦那的因特大學天文與天體物理中心的教授說，“廣義相對論可以說是一直以來最集大成的智慧結晶之一。”

但事實上這個理論有它自己的實際應用價值。我們的全球定位系統（GPS）離開了愛因斯坦的理論將無法執行。沒有廣義相對論，我們也不能夠了解宇宙深處。廣義相對論的作用遠比愛因斯坦當時認為的大得多。

愛因斯坦的想法是引力是空間與時間的一個特性，也就是他自己所統一的兩個存在。一個物體無論在宇宙何處都將扭曲其周圍的時空。物質越大，扭曲越嚴重。這個扭曲將使其他物質向第一個物體靠攏，就像一個擺在圓碗邊緣的物體會向碗中心劃去一樣。因為星球一直在運動，所以他們會持續性的向中間靠攏，在一個近圓軌跡裡滑行，就像一個摩托車手在網格球體裡一樣。

在這個理論裡，引力並不是一種力，而是時空的一個特性。愛因斯坦的理論給出了一些仍待證明的預測。在1919年，當天文學家用月食驗證了星光的彎曲與愛因斯坦的猜測相符，他立刻成為了一位世界名人

宇宙的擴張

幾年來，他的理論在物理學的程序上有著重大影響，其中一個便是宇宙學的促成。“在愛因斯坦之前，宇宙學只在宗教與哲學中被討論，”位於聖塔巴巴拉卡弗裡理論物理研究所的教授及前局長David Gross說，“在愛因斯坦後，它便成為了物理學的討論範圍。”

1929年，埃德溫哈勃發現宇宙正在擴張，這被認為是歷史上最偉大的科學發現之一。如果更有勇氣一些的話，愛因斯坦可能早就已經從他自己的理論中推匯出來了。“愛因斯坦臨陣退縮了，”Padmanabhan說，“但是廣義相對論自身就有著預測宇宙擴張的能力。”二十世紀末，科學家們有了另一個驚人的發現：宇宙的膨脹正在加速。星系在以更快的速度分離，並且有一天將會因為飛離太快而導致所有物質被撕碎。

世界各地都在進行實驗，想知道是什麼導致了膨脹。歐幾里得探測器會從遠距星系地擾亂中嘗試預測暗能量和同樣神秘的暗物質。它也會從成團浮動的星系中尋找暗能量和宇宙學常數地線索。尋找引力波又是另一個考驗了。尋找引力波自身可能並不會帶來驚喜，但檢測到的變化可能會給出宇宙新秩序地線索。

引力，與引力波相關的的粒子，並不應該有質量。那萬一他們被發現是有質量的，就像之前的難以察覺的中微子一樣呢？這項發現表明中微子其實是有質量的打開了粒子物理學的新紀元，因為先前它被認為是不能有質量的。“定期測量引力波可能會在資料裡展現出前後不一從而進行廣義相對論的調整。”Bala Lyer，位於班加羅爾的國際理論物理中心的教授說到。

在未來的幾十年，完成愛因斯坦所開始而未盡的事情很長一段時間都會是科學界最重要的任務。愛因斯坦自己也期待著他的未盡事業能夠像這樣發展。“愛因斯坦認為自己的理論是一個墊腳石，”David Gross說，“他不認為這是永恆的。”任何一個發現了能承接愛因斯坦理論的新理論的人都有可能變得跟愛因斯坦一樣著名。

BY： Hari Pulakkat

FY：曦

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