廣義相對論揭示奇異宇宙

劉聲遠(yuǎn)

中子星把相當(dāng)于太陽的質(zhì)量壓縮到一座城市大小（示意圖）。

愛因斯坦刷新了時間和空間概念，他的理論所預(yù)測的無比奇異、無比宏大的宇宙挑戰(zhàn)著人類想象力的極限。誕生在瑞士一家專利署、成熟于德國柏林的廣義相對論，是根植于對引力更深層面的新理解而提出的、有關(guān)宇宙的一種開創(chuàng)性理論。

全新理論 引發(fā)騷亂

在廣義相對論之前，牛頓引力論已經(jīng)流行了近200年。牛頓認(rèn)為，引力看起來就像是不同質(zhì)量之間的互相拉扯。愛因斯坦則提出，空間和時間是被質(zhì)量和能量扭曲的一個統(tǒng)一架構(gòu)。天體扭曲時空架構(gòu)，就像重物壓在蹦床上。時空架構(gòu)的曲率引導(dǎo)天體運動。由此，引力被愛因斯坦全新解釋。

1915年底，在柏林的一系列演講中，愛因斯坦描述了自己的廣義相對論。但直到1919年的一次日全食，該理論才引起當(dāng)時學(xué)者們的普遍關(guān)注。該理論預(yù)測，像太陽這樣的大質(zhì)量天體可能會把附近時空扭曲到足夠程度，以至于本來直行的陽光被彎曲。這樣一來，遙遠(yuǎn)恒星看起來就不是精確位于被預(yù)測的位置。在這次日食期間拍攝的照片，證實太陽的位置移動符合愛因斯坦的預(yù)測。當(dāng)時一家大報對此給出的頭條標(biāo)題是“蒼穹天光歪斜科學(xué)之人狂喜”。

10年后，廣義相對論引起的轟動乃至騷亂仍在繼續(xù)。當(dāng)時，4500人蜂擁至位于美國紐約市的美國自然歷史博物館，欲傾聽科學(xué)家對廣義相對論的解釋。由于前來的人數(shù)大大超過演講廳可接納人數(shù)，人群中發(fā)生騷亂，人們?nèi)_相加，還有人沖破鐵門。警方不得不增派人手來控制局面。

到了1931年，物理學(xué)家麥克爾森（美國首位諾貝爾科學(xué)獎得主）說，廣義相對論在科學(xué)歷史上前無古人，是科學(xué)思想的一場革命。我們今天已經(jīng)知道，廣義相對論帶給我們的遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于愛因斯坦愿意或能夠預(yù)測的。該理論是觀察宇宙的一種全新方式，其多重含義中有一些就連愛因斯坦本人也不想接受。然而，廣義相對論的那些最奇異預(yù)測全都被證明無誤。

愛因斯坦在柏林（1920年照片）。

日食引起了科學(xué)界最初對廣義相對論的關(guān)注。

宇宙狂野 遠(yuǎn)超想象

看上去安靜、靜態(tài)和有限的宇宙，實際上是一個充滿活力、持續(xù)擴張的競技場，其中不斷上演“巨獸”之間扭曲時空的騷亂。星系聚集成超大的星系團(tuán)，星系團(tuán)的規(guī)模之巨大是科學(xué)家在20世紀(jì)之前完全無法想象的。在這些星系內(nèi)不僅有恒星和行星，而且有很多奇異天體，它們的奇異說明廣義相對論所預(yù)測的各種極端其實并不極端。例如，中子星就是一種奇異天體，它把一顆大質(zhì)量恒星的質(zhì)量壓縮到只有一座城市大小。黑洞也是一種奇異天體，它如此強烈地扭曲時空，以至于任何光線都不能從黑洞中逃逸，這樣一來我們根本不可能直接看見黑洞。當(dāng)這些“巨獸”相互碰撞時，它們搖撼時空，發(fā)射超巨量能量。實際上，我們的宇宙非?？癖?，持續(xù)演化，充盈著由廣義相對論預(yù)測、看似屬于科幻理論卻是實際存在的各種怪物。

科學(xué)家評價說，廣義相對論為我們搭建了一座無比巨大的舞臺，這座舞臺上有無窮數(shù)量的角色讓我們觀察、探索和測試。宇宙本身就是一個無比驚人的角色：它竟然有自己的一生;它在不斷膨脹;它也可能坍縮甚至死去;在我們的宇宙之外，可能還有其他宇宙。廣義相對論讓我們意識到，宇宙之有趣遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們最狂野的想象。

廣義相對論已成為今天宇宙理論的基石，但今天的宇宙理論遠(yuǎn)非完整。無論是對于神秘物質(zhì)和力量，對于宇宙開端和結(jié)局，還是對于宏觀科學(xué)怎樣契合量子力學(xué)這樣的微觀科學(xué)，都還有大量問題懸而未決。一些科學(xué)家相信，要想回答其中一部分謎題，一條希望之路就是廣義相對論起初被低估的含義——彎曲的光線能放大宇宙的特征。

今天的科學(xué)家繼續(xù)鉆研廣義相對論，以尋找可能被自己忽略的線索。廣義相對論正在被以前所未有的精確度進(jìn)行測試?？茖W(xué)就是雙向的奇妙：廣義相對論擴展我們的宇宙視野;反過來，我們對該理論進(jìn)行更嚴(yán)格的測試。這種測試或許會讓我們發(fā)現(xiàn)廣義相對論的問題，但迄今為止廣義相對論并未被發(fā)現(xiàn)有什么問題?？茖W(xué)家相信，廣義相對論將引領(lǐng)我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)宇宙的更多奇異之處，去更完整地描述宇宙圖景。也就是說，廣義相對論亮相100多年后，宇宙依然有很多方面尚待預(yù)測，我們將發(fā)現(xiàn)宇宙比我們現(xiàn)在認(rèn)識到的更加瘋狂。

巨大的星系團(tuán)。

擴大的場景

愛因斯坦的廣義相對論系列方程是一大源泉，現(xiàn)有的宇宙觀正是從這個源泉中流出的。廣義相對論之所以令人難以置信，部分原因是它向我們持續(xù)提出大量問題。過去百年中，科學(xué)家探測到了超出想象的一些宇宙“巨獸”，也了解到了有關(guān)我們所在宇宙的一些重要事實：宇宙正在加速膨脹;宇宙始于138億年前的一次大爆炸;多種神秘形式的物質(zhì)和能量，正在以出乎預(yù)料和幾乎未知的方式塑造宇宙。

2019年，視界望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊發(fā)布有史以來第一張黑洞圖像。該圖顯示了由明亮氣體盤環(huán)繞的“巨獸”——黑洞。

黑洞之說 如此由來

愛因斯坦揭幕廣義相對論后的100年多一點，科學(xué)家對該理論預(yù)測的最驚人“巨獸”之一進(jìn)行了視覺證實。2019年，一個全球性望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)一視界望遠(yuǎn)鏡顯示一個巨大質(zhì)量物體正在瘋狂扭曲時空，以至于就連光線也無法逃離它的陷阱。這個巨大質(zhì)量物體就是位于星系M87中心的黑洞，視界望遠(yuǎn)鏡首次合成了它的圖像。該項目首席科學(xué)家說，他原本已經(jīng)意識到視界望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了某種奇異天體，但看到M87黑洞的照片后，他非常驚奇地發(fā)現(xiàn)這個黑洞完全符合廣義相對論的預(yù)測。

在相當(dāng)長一段時間里，黑洞只是數(shù)學(xué)奇觀。在20世紀(jì)第二個50年之前，并無有關(guān)黑洞實際存在的證據(jù)。但這在物理學(xué)中并非罕見。某位物理學(xué)家的方程式指向一個此前未知的現(xiàn)象，引發(fā)人們?yōu)榇藢ふ易C據(jù)。一旦獲得數(shù)據(jù)，再加點幸運，那么物理學(xué)家們通過找尋就能發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象。

類星體的亮度可超過它們所在的星系?？茖W(xué)家起初對此很困惑，但后來發(fā)現(xiàn)類星體爆發(fā)由正在“進(jìn)食”的大質(zhì)量黑洞驅(qū)動。

說到黑洞，1916年，在愛因斯坦提出廣義相對論后不久，德國物理學(xué)家史瓦西就針對一個球形物體（例如一顆恒星或行星）附近的情況，對愛因斯坦方程式給出了一種解法。史瓦西的數(shù)學(xué)推導(dǎo)說明了在質(zhì)量相同但個頭越來越小的天體（即天體越發(fā)致密）周圍的時空曲率會怎樣不同。根據(jù)史瓦西的解法，天體個頭再小也必定有一個限度。這個限度后來被稱為“史瓦西半徑”。

到了20世紀(jì)30年代，美國科學(xué)家奧本海默和施耐德描述了如果一顆大質(zhì)量恒星在自身引力下坍縮到史瓦西半徑以下的后果——該恒星（今天稱之為黑洞）的光線可能永遠(yuǎn)不會到達(dá)地球。盡管如此，愛因斯坦本人及其他大多數(shù)科學(xué)家其實并不相信這樣的恒星（即黑洞）是真實存在的。

直到1964年，美國女記者尤因在報道美國科學(xué)促進(jìn)會一次會議時才創(chuàng)造了“黑洞”這個詞。也差不多到了這時候，才有間接證據(jù)表明黑洞有可能存在。幾個月后，尤因又報道發(fā)現(xiàn)了類星體——“最遙遠(yuǎn)、最明亮、最狂暴、最重和最令人困惑的光線及無線電波來源”。雖然當(dāng)時沒有將類星體與黑洞聯(lián)系起來，但類星體的存在表明，需要有宇宙“發(fā)電廠”來為類星體提供如此巨大的能量。20世紀(jì)60年代，X射線天文學(xué)的進(jìn)展揭示了宇宙的一些新特征，其中包括可能表明黑洞正在吞噬伴星的明亮光柱。另外，在星系中心附近恒星和氣體的運動表明星系中心可能潛伏著極端致密的天體。

20世紀(jì)70年代，這位天文學(xué)家的測量結(jié)果表明，暗物質(zhì)可能存在。

黑洞比宇宙的其他很多“巨獸”更極端。最大的黑洞有太陽質(zhì)量的不知多少億（多得數(shù)不清）倍，它們撕裂一顆恒星時會發(fā)射能量達(dá)200萬億電子伏特的粒子。這個能量級別是在世界最大最強粒子加速器——大型強子對撞機周圍飛馳的質(zhì)子的大約30倍。

隨著相關(guān)證據(jù)從20世紀(jì)90年代堆積至今，科學(xué)家意識到黑洞不僅存在，而且參與對宇宙的塑造?？茖W(xué)家指出，那些被廣義相對論預(yù)測、一度只屬于數(shù)學(xué)概念的奇異天體現(xiàn)在變得實實在在，非常重要?，F(xiàn)在已知，超大質(zhì)量黑洞存在于大多數(shù)（如果不是全部）星系中心，黑洞發(fā)射的能量流影響恒星的形成方式和形成地點?？梢哉f，在星系中心，黑洞主宰一切。

雖然從視覺上證實黑洞存在是最近的事，但科學(xué)家感覺黑洞就像是他們早已熟悉的事物。每當(dāng)遇到未知空間、不明深淵，或者竭盡全力卻回報甚少時，他們首先想到的就是拿“黑洞”這個比喻安慰自己。真正意義上的黑洞卻回報豐盛：它們提供一些宇宙奧秘的謎底，又呈現(xiàn)諸多新的奧秘，還為我們的娛樂（例如科幻大片）提供話題。其實，只需想一想黑洞等宇宙“巨獸”的個頭是多么龐大無比，它們又是多么沉重?zé)o比和致密無比，就足夠讓我們驚嘆不已。

黑洞發(fā)出射流（想象圖）。

那么，科學(xué)家究竟是怎么發(fā)現(xiàn)MB7黑洞的呢？下面，我們就來講一講這個有趣的故事。

時空之波 揭示黑洞

當(dāng)廣義相對論預(yù)測的“巨獸”們相互碰撞時，它們會破壞宇宙架構(gòu)。時空上被稱為引力波的漣漪向外擴散，是最動蕩、最暴烈宇宙探戈的名片。廣義相對論預(yù)測，不管是巨大的碰撞還是巨大的爆發(fā)或其他加速的巨大天體，都會產(chǎn)生引力波。但在很長一段時間里，發(fā)現(xiàn)任何類型的時空漣漪都是不可及的夢想。只有最劇烈的宇宙事件，才能產(chǎn)生足夠大，以至于可被直接觀測到的波信號。愛因斯坦稱這種波為引力凸，但他并不知道宇宙中還真的存在如此巨大規(guī)模的事件。

從20世紀(jì)50年代起，當(dāng)科學(xué)界仍在爭論引力波是否真的存在時，美國物理學(xué)家韋伯就致力于探測引力波。經(jīng)過多年努力后，他在1969年宣布探測到一個明顯的引力波信號，它可能源自超新星，或者源自新發(fā)現(xiàn)的一類迅速自轉(zhuǎn)的恒星——脈沖星。然而，此后幾年中多項研究都不能證實韋伯的這個說法，也找不到所謂的引力波來源。

黑洞碰撞（想象圖）。

直到于2000年去世前，韋伯始終堅持自己的這個說法，但該說法也一直未得到證實。然而，科學(xué)家們越來越相信引力波將會被發(fā)現(xiàn)。1974年，美國兩位射電天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆環(huán)繞致密伴星的中子星。隨后幾年里，這顆中子星及其伴星看來逐步互相靠近，這與它們向引力波失去能量的假設(shè)情景符合。1984年，有科學(xué)家指出這意味著引力波可能將被探測到。

另一種已被醞釀了幾十年的不同策略，最終提供了引力波探測所需的靈敏度。2016年，依賴位于美國境內(nèi)不同地點兩部探測器的“先進(jìn)激光干涉引力波天文臺”（簡稱LIGO）團(tuán)隊，宣布首次證實引力波存在。其中每一部探測器把一根強力激光柱一分為二，其中每個分支沿著探測器的兩條臂中之一傳播。在不存在引力波的條件下，這兩個分支重新合并，相互抵消（匹配）。但如果有引力波拉伸探測器的一條臂，同時壓縮另一條臂，那么激光就不會匹配。

這兩部探測器是令人難以置信的工程奇跡——就算兩個黑洞相撞所發(fā)出的時空漣漪對探測器一條臂的拉伸度僅為一個質(zhì)子直徑的萬分之一，探測器也能夠感知自己的臂被拉伸的幅度。第一次探測到引力波（來自兩個黑洞相撞）的消息發(fā)布，被認(rèn)為開啟了天文學(xué)新時代。這一消息理所當(dāng)然是2016年最大的科學(xué)新聞之一，MGO團(tuán)隊首席科學(xué)家贏得了次年的諾貝爾獎。

LIGO團(tuán)隊和意大利處女座引力波探測器團(tuán)隊迄今已記錄到數(shù)十次引力波，其中大多數(shù)源自黑洞合并，也有一些源自中子星。引力波已經(jīng)揭示了一些之前未知的重元素誕生地，還揭示了亞原子粒子的一種明亮射流，這種射流可能為破解伽馬射線（一種高能光神秘閃耀）之謎提供線索。引力波也表明中等質(zhì)量黑洞（質(zhì)量為太陽的100～10萬倍）的確存在，并再度證明愛因斯坦理論至今尚未被發(fā)現(xiàn)破綻。

發(fā)現(xiàn)引力波僅僅5年，一些科學(xué)家已經(jīng)在期待宇宙中更奇異的“巨獸”露臉。例如有科學(xué)家提議，通過引力波探測環(huán)繞蟲洞的黑洞。事實上，引力波天文學(xué)也真的才剛剛起步。通過提升現(xiàn)有地面探測器的靈敏度，將可能探測到來自更遙遠(yuǎn)處、能量強度不那么高的引力波。包括計劃于2030年前后發(fā)射的引力波空間探測器在內(nèi)的未來探測器，將避開地球地面晃動所造成的干擾?？茖W(xué)家認(rèn)為，未來最激動人心的可能將是觀測到一個小黑洞墜入一個大黑洞。在這樣壯麗無比的事件中，小黑洞將會在幾年中前后飛奔，往不同方向旋轉(zhuǎn)，就好像它的軌道高度偏離正圓。如果真是這樣，那么愛因斯坦方程式將通過終極測試，我們將由此發(fā)現(xiàn)自己是否真正理解了在極端意義上時空怎樣被扭曲。

意大利室女座探測器探測到了黑洞的存在。