检验爱因斯坦
Amanda Gefter
译自Sky & Telescope, Vol. 110, No. 1 (2005)
1919年，当英国的两个天文学家小组向巴西和大西洋岛屿普林西比艰苦跋涉的时候，他们的目标是去证实或驳斥爱因斯坦那关于现实的奇异新图景。一次日食使得天文学家们可以去寻找太阳周围由爱因斯坦广义相对论预言的星光弯曲。当数据分析完之后，媒体便急急抓住了机会。一个人独自解开了宇宙的秘密。
爱因斯坦是个聪明的反叛者，是首个提出我们体验到的三维空间和一维时间仅仅是更深层事实映象的科学家，这更深层的事实就是统一的四维时空。质量与能量导致了空间的外貌以引力场的形式呈现给我们。下落的苹果与轨道上的月球不是被其他物体拉动，而是沿着时空的斜面滑动。我们以为是力的东西实际上是隐藏着的几何结构。
尽管广义相对论是物理学的一大支柱，它仍旧是最缺乏检验的主要科学理论之一。精度只有30%的1919年日食观测对于验证该理论来说并不充分。进一步的观测证据，如水星进日点进动、GPS技术的成功，以及在NASA卡西尼探测器2002年从背后越过太阳时的多普勒雷达测距，与对20世纪物理学的另一支柱——量子力学的实验验证相比并不很好。量子理论在亚原子尺度以超高的精度描述物质与能量的相互作用。
在深层上，广义相对论和量子力学之间存在着棘手的冲突。由于广义相对论将力以几何的形式描述，量子力学却按交换粒子的方式考虑作用力，这使我们有了描述同一宇宙的两种不同方式。这种不安在考虑强引力场与小尺度结合的情况（如大爆炸或黑洞）时变得不可调和了。物理学家需要更基础的理论来将这二者联系成包括一切的量子引力。其中一个有希望的但未经实验证实的理论是弦理论，该理论将粒子想象成11维时空中振动的微小能量绳。
为达到对宇宙的综合理解，唯一途径是以可能的最高精度检验广义相对论。哪怕能在该理论中找到最轻微的错误，都可以帮助物理学家确定量子引力的可能作用，以及哪些可以排除。这些进展将带来物理学新的黄金时代。一批新的实验正在检验爱因斯坦宇宙中的极端界限，而其中天文观测是其最前沿。
射向月球
APOLLO：
目的：利用激光测量地月距实验检验等效原理
状况：实验于2005年底开始
优点：高精度检验，熟悉的技术和方法，地方性
缺点：弱引力环境，潮汐模型引入的不确定性
突出点：对脉冲双星中所见的相同效应的独立、地方性测量
与广义相对论的偏离可能会出现在对地月距离的高精度测量中。为了这个目的，阿波罗11、14和15号的宇航员和苏联的两部Lunakhod自动月球车在月球上留下了反射镜。天文学家已从不同的研究机构（包括麦克唐那天文台和利克天文台）向反射镜发射了激光束。通过测量光束来回所花费的时间，他们以高于两厘米的精度确定了月球在轨道的不同位置上与地球的距离。其结果在1/10000的水平上与广义相对论相一致，且他们也证实了长期以来的预言，也就是由于潮汐力的作用，月球以每年3.8厘米的速度远离地球。
自1969年阿波罗11号飞行之后，天文学家就向月球反射镜发射激光束了。上图即是麦克唐那天文台0.76米（30英寸）反射镜发出的一束激光，该台曾经组织过许多这类实验。（图片提供：Randall L. Ricklefs/McDonald Observatory）
但有了新技术，测月实验可以提供对广义相对论更加严格的检验，支持者说其精度可以猛增到1/100000。由物理学家Tom Murphy（加州大学圣迭戈分校）和Eric Adelberger（华盛顿大学）领导的小组已在新墨西哥州天体物理学研究联盟的3.5米望远镜上为APOLLO（Apache Point Observatory Lunar Laser ranging Operation）实验安装了激光器和新型探测器。观测将于今年年底开始。Murphy说：“我们的实验将迈出下一步，并达到毫米的分辨率，以检验广义相对论是否仍旧正确。”
APOLLO小组的领导者Tom Murphy站在新墨西哥州Apache Point天文台3.5米望远镜前面，测月实验将于年底在这里开始。（图片提供：Larry Carey）
APOLLO实验的激光束将占满望远镜整个3.5米口径。地球大气的扩散将会使光束抵达月球时的直径达到2千米。月球回射器的衍射使回射光束抵达地球时宽15千米。每个长100皮秒（10-10秒）的激光脉冲含有1017个光子，这其中只有一小部分能返回望远镜。尽管如此，由于APOLLO小组知道确切的波长、方向以及返回时间，它们仍是易于测量的。激光脉冲长2.8厘米，这也是光在100皮秒内行进的距离。（图片提供：APOLLO Team）
APOLLO还明确提出要检验广义相对论的基础——等效原理，该原理指出，在某特定地点的所有物体都感受到同样的加速度，而与物体的成分无关。Murphy说：“地球和月球每时每刻都在太阳周围作自由落体运动，是地球比月球下落得更快呢，还是它们以同样的加速度下落？”如果地球和月球以不同加速度落向太阳，月球将在新月和满月时比加速度相同时所预计的稍微近些，而这取决于等效原理是如何被违背的。
测月还可以检测弦理论额外的维度比先前许多物理学家的设想更大的可能性。来自我们四维领域的引力会泄露一个或更多隐藏维度的情况。如果这发生了，APOLLO应该观测到当月球在其椭圆轨道上距离地球最近和最远的时刻之间累积的时滞。换句话说，月球轨道每年将比单纯牛顿力学预计的作用多进动几微角秒。
阿波罗11号的宇航员在月球上留下了这个小回射器。（图片提供：NASA/Johnson Space Center）
Murphy说：“我的内心觉得广义相对论直到该实验的结尾仍旧会坚挺。但令人激动的是某些有意思的事情的非零出现机会。没有人认为爱因斯坦对引力下了定论。然而我并不是为广义相对论判了死刑，因为这是个非常漂亮的理论，我不由自主地因前景而感到兴奋：这可能是一次改变了物理学进程的实验。”
