超越爱因斯坦

谢懿

为什么科学家热衷于证明爱因斯坦是对的或是错的呢？这绝非因为他是一个杰出人物、他的名字等同于天才以及他在一个多世纪前的工作深刻地重塑了物理学。相反，这背后的动力源自引力本身，因为它一直是物理学中的“刺儿头”。

包括爱因斯坦在内，物理学家早就希望能提出一个宇宙的统一理论，他们一直在努力让引力与其他基本作用力相融合。其结果是，现在我们有一个引力理论，即爱因斯坦的广义相对论，和一个独立的有关其他所有基本作用力的理论，即粒子物理学的“标准模型”——量子理论。不幸的是，这两个极为成功的理论是不相容的，有时甚至是相互矛盾的。

物理学家对此并不满意，他们相信应该存在一个统一的理论可以涵盖大自然的一切。实现这一长期诉求的线索可能就隐藏在更深入地了解在什么样的情况下广义相对论会失效之中。

这也正是科学家一直致力把这个理论推向它的极限的原因——看看它会在什么地方出现问题，从而找到把引力与物理学的其他部分相连接的最佳途径。

一切皆等效

科学家认为，等效原理——广义相对论的核心原则——是大有可为的一个突破口，可以引导他们走向最终的万有理论。简单地说，等效原理认为，在同一引力场的影响下，所有物体都会受到相同的加速度，而无关它们的质量或组成。

这一策略的一个优点是，到目前为止，每一个被提出的统一理论都会引入新的作用力，它会细微地改变引力与物质相互作用的方式。如果这些理论正确且我们能测量得足够精确，就应该看到等效原理出现微小的偏差。换句话说，一块金砖会与一块银砖有着不同的下落速度。对这些差异进行详细的分析可以为物理学家构建一个正确的统一理论提供有价值的线索。

尽管科学家相信这一等效原理的破缺应该存在，因为所有试图把爱因斯坦的理论与其他作用力相统一的尝试都会破坏等效原理。可是，我们还不清楚它会在哪个层面上表现出来。

在地球上已进行的实验表明，等效原理在十万亿分之一的精度上仍是成立的。不过，太空中的实验，例如等效原理卫星检验项目（STEP），则可能会对其进行更严苛的测试，把测量精度再提升100 000倍。一些理论预言，这一精度足以向物理学家展示爱因斯坦的理论会在何处开始出现问题。

下一步

STEP始于1971年，当时是一个研究生的毕业论文。与其差不多同时代的还有引力探测器B计划，它是一颗由美国航空航天局出资建造的卫星，验证了爱因斯坦理论的另一个预言。

STEP有望显著提高等效原理的检验精度。在地面上，这些精密的测量很难进行，因为从街头的交通到大地的震颤等各种干扰无处不在。太空为此提供了一个更为安静的场所。

它的另一个优点是观测时间。举例来说，你从比萨斜塔上丢下不同大小的球体，它们自由下落的时间只有几秒。你若在太空中下放物体，它们会在轨道上不断落向地球。这使测量可以持续很长一段时间——数天甚至更长，科学家可以有很多的时间寻找微弱的效应。

STEP计划使用四对测试质量，它们分别由至少三种不同的材料——例如铍、铌和铂铱合金——制成。在真空中，它们会被冷却到只有几开的低温，这可以削弱温度造成的波动，提高测量精度。这些材料的选择是为了尽可能反映出化学特性的差异，以便更容易地探测出它们之间加速度的差异。这也是为了精密地测量不同成分的物体是否会具有不同的下落加速度。

虽然STEP这个概念已经问世几十年，科学家也一直在努力推进，它也获得了研发的支持，却始终没有得到实质性的经费资助。不过，科学家仍然相信STEP是人类可以追求的最关键的基本物理学实验之一。对STEP来说，真正的坏消息是2004年美国航空航天局终止了其所有的基本物理学项目，自那时起，它的经费一直维持在最低限度上。

不过，科学家仍然抱有希望。2004年发射的引力探测器B卫星就经历了40年的研发历程。STEP的历史也差不多与之相当。

美国海军将领约翰·保罗·琼斯曾说：“我还没有开始战斗。”运气好的话，STEP兴许也能峰回路转。也许它最终会发现爱因斯坦理论中的裂隙，带领我们走向一个全新且无所不包的宇宙理论。