來源：《科學》2015年 第5期
作者：王斌（上海交通大學物理與天文系教授）
自然界中存在四種基本相互作用：引力相互作用、電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用。這四種基本相互作用中，引力是第一個被人們認識和通過具體理論框架來描述的，然而目前除了引力之外，其他三種相互作用已經(jīng)能夠用統(tǒng)一場理論進行描述，唯獨引力還徘徊在大統(tǒng)一理論的門外。
引力是那么的基本和重要，它決定了時空結(jié)構(gòu)，它主宰著宇宙中萬事萬物的起源和演化。迄今最完美的引力理論正是愛因斯坦1915年提出的廣義相對論，它揭示了時空幾何與物質(zhì)分布之間深刻的內(nèi)在聯(lián)系。
廣義相對論還有許多重要預(yù)言，比如宇宙是從大爆炸開始膨脹而來的；宇宙中存在奇異的天體——黑洞；宇宙中存在奇異的反引力的能量，能推動宇宙加速膨脹；引力具有透鏡效應(yīng)；引力擾動能產(chǎn)生引力波等等。到目前為止除了引力波和黑洞還沒有被直接探測到(盡管有許多間接證據(jù))，所有廣義相對論的預(yù)言都已經(jīng)被證實。
然而愛因斯坦留下的文化遺產(chǎn)并不完整。廣義相對論盡管預(yù)言了很多物理現(xiàn)象，并給出了這些物理現(xiàn)象的具體理論描述，但是沒有給出這些物理現(xiàn)象發(fā)生的原因，也沒有告訴人們這些物理現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)是什么。比如根據(jù)廣義相對論的預(yù)言宇宙從大爆炸開始膨脹而來，但是大爆炸剛發(fā)生的瞬間，宇宙中發(fā)生了什么?大爆炸為什么會產(chǎn)生?大爆炸的巨大能量來自哪里?又如，廣義相對論預(yù)言了宇宙中存在奇異的天體——黑洞，黑洞具有巨大的引力，連光都被囚禁了，但是緊靠黑洞處，當物體馬上要被吸入的時刻，真正發(fā)生了什么?再如，廣義相對論場方程預(yù)言了宇宙有反引力的奇異能量，能使宇宙進入加速膨脹階段，這種能量的物理本質(zhì)又是什么呢?此外，廣義相對論所揭示的時空幾何和物質(zhì)分布之間本質(zhì)聯(lián)系在微觀尺度又該如何理解呢?廣義相對論所談到的奇點是什么?奇點處的物理又該如何描述?對于這些問題的深入思考將推動人們對引力做更深層次的研究，對實現(xiàn)把引力納入大統(tǒng)一理論起到重要作用。
在紀念愛因斯坦提出廣義相對論100周年的今天，本文簡要回顧廣義相對論，討論如何超越愛因斯坦的理論，從而進一步深入揭示引力本質(zhì)，尋找探索愛因斯坦遺留問題的途徑。
廣義相對論的真諦
宇宙的復雜性充滿了挑戰(zhàn)，要深刻理解我們的宇宙需要具備不同尺度有關(guān)引力的基本知識。牛頓是第一個認識到引力性質(zhì)具有普遍性的，他發(fā)現(xiàn)引力決定了地球上所有物體的下落，決定了太陽系中行星的運動。在更大的尺度上，引力的作用更為巨大，它驅(qū)動星系、星系團甚至整個宇宙的演化。愛因斯坦的廣義相對論對于各種尺度的物理現(xiàn)象都給出了更為詳細的描述，既對致密星體——中子星這樣的小尺度物體適用，也對宇宙這樣大尺度的研究對象適用，廣義相對論的理論解釋已經(jīng)被各種實驗觀測所證實。
除了這些成果，廣義相對論在理念上的最大突破就是把時空和物質(zhì)緊密地聯(lián)系在了一起。19世紀開始，通過羅巴切夫斯基(N.I.Lobatchevski)、黎曼(G.F.B.Riemann)和高斯(J.C.F.Gauss)的工作，人們已經(jīng)知道，空間并非必須曲率為零。當時這在幾何學上確實是個革命性的認識，但是數(shù)學家一致認為幾何是先行的概念，它和任何物理現(xiàn)象無關(guān)，事實上這跟早先牛頓的觀念是一致的。但是萊布尼茨(G.W.Leibniz)對這個問題就持有完全不同的觀點，他認為如果時間和空間與物質(zhì)世界無關(guān)，那么就失去了意義。從與物質(zhì)密切相關(guān)的時間和空間概念出發(fā)，赫茲(H.R.Hertz)在1889到1894年間發(fā)展了一套新的力學理論。但是真正認為時空和物質(zhì)完全不能分割的還是1915年愛因斯坦提出的廣義相對論。
廣義相對論中的時空是對于給定物質(zhì)分布的引力場方程的解，物質(zhì)有怎樣的分布就告知了時空該如何彎曲；而人們理解物理世界就好比是經(jīng)歷一場時空探險，怎樣彎曲的時空就能決定物質(zhì)該如何運動。廣義相對論用簡潔的數(shù)學公式描述：
G[，μυ]=8πGT[，μυ]，
其中左邊代表時空幾何，右邊代表物質(zhì)分布，深刻地反映了時空和物質(zhì)的密切關(guān)系。
廣義相對論的預(yù)言與挑戰(zhàn)
廣義相對論預(yù)言了宇宙從大爆炸開始膨脹而來，但是大爆炸又是如何產(chǎn)生的?它的能量從哪里來?大爆炸那個瞬間到底發(fā)生了什么?
回顧宇宙的誕生和成長史，廣義相對論告訴人們：宇宙是通過大爆炸從一個奇點進發(fā)膨脹而來的。宇宙膨脹的預(yù)言早在1929年就由哈勃(E.P.Hubble)證實，他觀測到離地球越遠的星系退行速度越快，從而證實宇宙正在膨脹。大爆炸那個瞬間時空誕生了，大爆炸奇點處，物質(zhì)密度趨于無窮大。物質(zhì)決定時空，剛誕生的嬰兒時空在那一刻高度彎曲，整個時空都卷曲在一起，沒有可能來回答大爆炸之前宇宙長什么樣，因為大爆炸之前根本就沒有時空存在。在宇宙大爆炸后10[-34]秒內(nèi)宇宙經(jīng)歷了指數(shù)級膨脹階段，即暴脹，使宇宙時空從高度彎曲變得平坦，這就回答了為什么觀測到的宇宙都那么平坦。
經(jīng)過這個暴脹階段，極高溫的宇宙變得冰冷。在暴脹結(jié)束時，依靠劇烈的量子漲落，宇宙這個“爐子”又被重新點燃，接下來就進入到所謂的標準宇宙學進程。被重新點燃的宇宙中到處充斥著在量子漲落種子基礎(chǔ)上形成的基本粒子，這個時候的宇宙非常混濁，光子不能自由穿行，四處與各種基本粒子相撞，完全不能指望光信號來告知那時的宇宙發(fā)生了什么。
隨著宇宙進一步膨脹，溫度進一步降低，基本粒子互相結(jié)合，比如質(zhì)子和中子結(jié)合形成原子核，接著電子又被原子核俘獲形成原子。宇宙逐漸變得透明，光子有縫隙可以穿越出來。到大約大爆炸后38萬年時，整個宇宙變得完全透明，光信號能夠完全傳出，這就是人們探測到的微波背景輻射。通過微波背景輻射能夠了解到的最早的宇宙是38萬年時的宇宙，但無法依靠宇宙微波背景輻射來解讀更早期的宇宙，更不可能指望微波背景輻射來回答：大爆炸瞬間發(fā)生了什么物理過程，大爆炸的能量從哪里來?
最先發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射的是兩位無線電物理學家威爾遜(R.Wilson)和彭齊亞斯(A.Penzias)，他們在美國新澤西州架設(shè)的衛(wèi)星通訊天線上接收到了無法消除的“噪聲”，在和普林斯頓大學的物理學家迪克(R.H.Dicke)、皮布爾斯(P.J.E.Peebles)等人討論后才知道這個噪聲正是宇宙的微波背景輻射。因為這一發(fā)現(xiàn)，威爾遜和彭齊亞斯獲得了1978年度的諾貝爾物理學獎。微波背景輻射盡管不能透露宇宙極早期的物理信息，但對研究宇宙的演化，結(jié)構(gòu)的形成能夠提供非常有價值的數(shù)據(jù)。人們對微波背景輻射的觀測不斷深入，探測的努力從地球上的氣球?qū)嶒灠l(fā)展到太空衛(wèi)星實驗。
最早進行宇宙微波背景輻射太空衛(wèi)星探測的是馬瑟(J.C.Mather)和斯穆特(G.Smoot)領(lǐng)導的研究小組，他們的衛(wèi)星于1989年升空，他們的精確探測結(jié)果被認為是“宇宙學研究真正進入了精確科學時代”的標志，他們也因此分享了2006年諾貝爾物理學獎。接下來，2001年發(fā)射的威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)和2009年發(fā)射的普朗克(Planck)衛(wèi)星實驗中，人們對宇宙微波背景輻射的探測精度不斷提高，這些精確數(shù)據(jù)對揭示宇宙演化和結(jié)構(gòu)形成起到了關(guān)鍵作用。
宇宙微波背景輻射告訴人們宇宙誕生38萬年時的樣子，有什么辦法和手段能了解更早期宇宙的物理本質(zhì)，來回答關(guān)于宇宙大爆炸的那些問題呢?2014年3月，哈佛大學天體物理研究團隊聲稱，他們通過放在南極的BICEP2望遠鏡，第一次捕捉到了宇宙嬰兒時期的第一聲啼哭聲——宇宙原初引力波。盡管目前還沒有足夠證據(jù)支持這一發(fā)現(xiàn)，但是宇宙原初引力波是在宇宙暴脹時期的引力擾動形成的，如果這么早期宇宙的信號真的能被發(fā)現(xiàn)，那么依靠這種對宇宙原初引力波的探測，人們就有希望揭開宇宙大爆炸瞬間的神秘面紗，就有可能嘗試回答關(guān)于宇宙大爆炸的那些神秘問題。
廣義相對論預(yù)言了宇宙中有黑洞存在，黑洞也已經(jīng)被間接地觀測到，但是緊貼黑洞周圍到底發(fā)生了什么物理過程?
黑洞是個奇異的天體，連光都逃脫不了它的魔爪。早在18世紀末，拉普拉斯(P.-S.Laplace)就已經(jīng)在牛頓力學的基礎(chǔ)上提出，光不能從一個由巨大質(zhì)量的物體附近逃逸。真正黑洞的時空解是在愛因斯坦提出廣義相對論后的第二年，1916年由施瓦西(K.Schwarzschild)推導出來的，但是那個時候，人們只是把這種奇異的天體稱為黑體。黑洞這個詞是1968年惠勒(J.A.Wheeler)在研究引力塌縮問題時提出來的。
黑洞物理中有個重要定理：“無毛”定理，這個定理極大地限制了黑洞的種類。這個定理是說：對于外部觀測者，黑洞只有質(zhì)量、電荷和角動量三個參量能被觀測到，除此之外沒有多余的可以被探測到的“毛”。這個“無毛”定理是否完備，目前引力學家正在進一步研究。除了三根“毛”外，在極其靠近黑洞的附近，到底發(fā)生了什么物理現(xiàn)象?有什么方法能幫助人們來解答：黑洞附近發(fā)生了什么物理過程呢?
如果宇宙的某個地方有個雙星系統(tǒng)，由一顆黑洞和一顆繞著黑洞旋轉(zhuǎn)的紅巨星組成。紅巨星是指年輕的恒星，由炙熱的氣體分子組成。在這樣的雙星系統(tǒng)中，由于黑洞的引力吸引，紅巨星中的熱氣體分子會被拽過來繞著黑洞旋轉(zhuǎn)。越是靠近黑洞邊界的地方，熱氣體分子云越是稠密，而且繞黑洞旋轉(zhuǎn)的速度越快，因為只有具備足夠大的動能，熱氣體分子才能逃脫黑洞的巨大引力。但是總有些氣體顆粒，其本身動能不夠大，被黑洞吸引最終落入黑洞。在被吸入的過程中，這些氣體顆粒會與高速繞黑洞運轉(zhuǎn)的稠密氣體分子云發(fā)生劇烈碰撞，這種劇烈碰撞在黑洞邊界附近產(chǎn)生強烈的X射線輻射。這種X射線輻射已經(jīng)被錢德拉X射線天文臺(Chandra X-ray Observatory，CXO)發(fā)現(xiàn)。通過對X射線輻射的研究，也許能揭示黑洞附近的物理。
宇宙中的黑洞并不是永遠有恒星陪伴左右的。對許多獨處的黑洞，有沒有辦法也能洞悉其周圍發(fā)生的物理現(xiàn)象呢?一顆孤獨黑洞的表面好比一個平靜的湖面，當有個物體被黑洞吞沒時好比有一塊石頭被扔進湖里。石頭在平靜的湖面上激起漣漪，隨著石入湖心，漣漪會漸漸散去，湖面又將歸于平靜。物體被黑洞吞沒過程，黑洞周圍的引力場受到擾動，這種擾動就像是漣漪最后會逐漸退去。黑洞周圍的這種擾動被稱為引力波。近年來國際上投入了大量的人力和物力，試圖來尋找這種致密星體周圍的引力波。國際上的引力波探測計劃包括美國的激光干涉引力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO)，歐洲的處女座(Virgo)探測器，等等。如果能真正精確探測到黑洞周圍的引力波，那就意味著能回答黑洞周圍的物理是什么的問題。
黑洞是個有意思的研究對象，它是量子引力研究的實驗室。聽起來黑洞是那么可怕，連光都逃脫不了它的魔爪。迄今為止還沒有人因為研究黑洞而獲得過諾貝爾物理學獎，黑洞的研究還是值得靜心去做的。
廣義相對論預(yù)言了宇宙會加速膨脹，但誰是宇宙加速膨脹的幕后推手?宇宙加速膨脹的物理本質(zhì)到底是什么?
1998年珀爾馬特(S.Perlmutter)領(lǐng)導的伯克利大學研究小組和里斯(A.G.Reiss)、施密特(B.P.Schmidt)所在的哈佛大學研究小組同時發(fā)表對遠處Ia型的超新星的觀測結(jié)果，指出宇宙正處在加速膨脹階段。由于這一重大發(fā)現(xiàn)，珀爾馬特、里斯和施密特分享了2011年度的諾貝爾物理學獎。
Ia型的超新星被認為是標準燭光，因為這種超新星的爆發(fā)只有在白矮星質(zhì)量達到太陽質(zhì)量1.38倍時才會發(fā)生；另外它們所釋放的能量是固定的，完全來自其內(nèi)部從鎳56經(jīng)鈷56躍遷到鐵56而產(chǎn)生。天文學對星體的亮度有絕對亮度和視亮度兩個概念。絕對亮度和星體本身釋放出來的能量有關(guān)，視亮度是人們觀察星體時看到的亮度，這當然和星體距離人們的遠近有關(guān)。比較同一顆星體絕對亮度和視亮度，可以得知星體的距離，這個距離被稱為光度距離。
上述伯克利大學和哈佛大學的兩個研究小組就是通過觀測遠處超新星所得到的光度距離，發(fā)現(xiàn)我們的宇宙膨脹目前正處在加速階段。
但是宇宙加速膨脹這一現(xiàn)象背后的物理原因是什么?誰是宇宙加速膨脹的幕后推手?
宇宙加速膨脹 意味著宇宙中有70％的組分是暗能量，暗能量可能與愛因斯坦宇宙常數(shù)有關(guān)，其本質(zhì)仍是一個謎。解決了這個謎，也許就解釋了宇宙的物理本質(zhì)。
人們最容易想到的原因是愛因斯坦提出的宇宙常數(shù)。宇宙常數(shù)是愛因斯坦提出廣義相對論不久，為了解釋當時哲學上公認的穩(wěn)恒宇宙的思潮而引入的。但是哈勃通過觀測發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹之后，愛因斯坦就指出引進宇宙常數(shù)是他一生中犯下的最大錯誤。但是宇宙常數(shù)像個被愛因斯坦打撈上來的寶瓶里的惡魔，一旦被釋放就很難再把它囚禁回去，歷史上有多次去掉和引入宇宙常數(shù)的科學嘗試。
宇宙常數(shù)和真空能可以聯(lián)系起來，它可以提供某種排斥力，推動宇宙加速膨脹。從目前天文觀測的數(shù)據(jù)來分析，宇宙常數(shù)也許是最好的唯象解釋宇宙加速膨脹的原因。但是天文觀測到的宇宙常數(shù)大小和量子場論計算得到的真空能的差別巨大，數(shù)量級相差123次方。用宇宙常數(shù)來解釋宇宙加速膨脹所面臨的理論挑戰(zhàn)是空前的，目前沒有一個理論來解決這個問題。另外如果用宇宙常數(shù)來解釋宇宙加速膨脹，為什么這個常數(shù)現(xiàn)在才起作用，而不是早一點或者晚一點推動宇宙加速膨脹呢?這個問題被稱作巧合性問題。這些問題的存在逼迫人們尋找其他替代宇宙常數(shù)的模型來解釋宇宙的加速膨脹。目前研究宇宙加速膨脹物理本質(zhì)的思路還是從愛因斯坦提出的引力理論出發(fā)，考察廣義相對論方程兩邊，描述幾何的左邊部分和描述物質(zhì)的右邊部分，試圖在宇宙學尺度通過改變引力從而改變大尺度時空幾何，或者通過改變宇宙物質(zhì)組分來解釋宇宙的加速膨脹機制，各種理論嘗試都在進行中。
隨著國際上對于宇宙學研究的各種天文觀測實驗不斷上馬，精度不斷提高，理論的構(gòu)造必須要在和各種天文觀測實驗相互比較的基礎(chǔ)上才能有進展。這方面的研究工作是目前國際物理學界和天文學界共同研究的焦點。
引力所涉及的物理尺度非常廣闊，從亞原子尺度跨越到宇宙大尺度。引力是理解宇宙形成及其演化的根本。愛因斯坦的引力理論——廣義相對論誕生至今已經(jīng)100年了，廣義相對論已經(jīng)被證明能精確描述從太陽系到宇宙尺度的幾乎所有物理現(xiàn)象。但是廣義相對論在大尺度的成功是建立在假定物質(zhì)能動張量中存在所謂暗物質(zhì)和暗能量組分。另外廣義相對論盡管成功地預(yù)言了許多物理現(xiàn)象，但是廣義相對論本身無法解釋所預(yù)言物理現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)。廣義相對論理論本身還有其他一些問題，比如奇點問題，宇宙常數(shù)問題，以及宇宙描述的初始條件問題，等等。此外，廣義相對論迄今為止還不能量子化，用廣義相對論描述的引力還沒法被納入大統(tǒng)一理論中。這些都是需要今天的物理學家深入思考，并去超越愛因斯坦的地方。
美國物理與天文學會在21世紀要解決的11大科學問題中，把什么是暗物質(zhì)，什么是暗能量，宇宙是如何開始的，愛因斯坦的引力理論是否是最終的理論，有沒有額外維度等問題，列為需要解決和回答的問題。這些問題都和引力物理密切相關(guān)。隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，實驗觀測水平和精度的不斷提高，理論上超越愛因斯坦，深刻揭示引力本質(zhì)是充滿希望的。愛因斯坦曾指出“智慧的真正標志不是知識，而是想象力”。在這個征程中，需要更多有志青年的加入，發(fā)揮想象力，共同探索揭示引力的本質(zhì)。
