為什麼宇宙的終極理論，必須同時包含廣義相對論和量子力學？

2020-10-03 博科園

愛因斯坦的廣義相對論，引力扭曲時空的想法經受住了100多年的檢驗和測試，包括現在發表在最新一期《物理評論快報》期刊上「事件視界望遠鏡」（EHT）合作研究的最新測試。儘管取得了成功，愛因斯坦的相對論理論在數學上仍然與量子力學（對亞原子世界的科學理解）不可調和。檢驗廣義相對論很重要，因為宇宙的終極理論必須同時包含廣義相對論和量子力學。

加州大學亞利桑那州天體物理學教授迪米特裡奧斯·普爾蒂斯(Dimitrios Psaltis)是「事件視界望遠鏡」的項目科學家，他說：我們希望一個完整的引力理論與廣義相對論有所不同，但有很多方法可以修改它。我們發現，無論正確的理論是什麼，在涉及黑洞時，它都不可能與廣義相對論有顯著不同，我們壓縮了可能修改的空間。EHT科學理事會成員、天文與天體物理研究所黑洞射電觀測專家Keiichi Asada表示：

這是使用超大質量黑洞檢驗廣義相對論的一種全新方式。為了進行測試，研究小組使用了2019年通過事件視界望遠鏡獲得的第一張，位於附近星系M87中心超大質量黑洞的圖像。第一個結果表明，黑洞陰影的大小與廣義相對論預測的大小一致。亞利桑那州管家理論研究員皮埃爾·克裡斯蒂安說：當時，我們無法提出相反的問題：引力理論與廣義相對論有何不同，又能與陰影大小保持一致？

想知道我們能不能對這些觀測結果做些什麼，以便剔除一些替代方案。該研究小組對廣義相對論許多修改進行了非常廣泛的分析，以確定決定黑洞陰影大小的引力理論的獨特特徵。高級研究所博士後研究員莉亞·梅代羅斯(Lia Medeiros)說：通過這種方式，我們現在可以確定廣義相對論的某種替代方案是否與事件視界望遠鏡的觀測結果一致，而無需擔心任何其他細節。該研究小組專注於通過太陽系之前所有測試的各種替代方案。

全新角度

事件視界望遠鏡（EHT）合作研究項目的高級成員、亞利桑那大學天體物理學教授費亞爾·厄澤爾說：使用新開發的方案，這與之前在太陽系進行的測試相比，發現M87上測量到的黑洞陰影大小，使愛因斯坦廣義相對論的修正空間縮小了近500倍。許多修正廣義相對論的方法在這個新的、更小黑洞陰影測試中都失敗了。馬克斯·普朗克射電天文學研究所所長、EHT合作成員麥可·克萊默(Michael Kramer)說：

黑洞圖像為檢驗愛因斯坦的廣義相對論提供了一個全新角度，加上引力波觀測，這標誌著黑洞天體物理學新紀元的開始。檢驗引力理論是一項持續不斷的探索：各種天體的廣義相對論預測是否足夠好，以至於天體物理學家不必擔心廣義相對論的任何潛在差異或修改？厄澤爾說：我們總是說廣義相對論以優異的成績通過了所有測試，但這是真的，當你做某些測試時，你看不到結果偏離了廣義相對論的預測。

雖然所有這些都是正確的，但研究第一次有了一個不同的衡量標準，可以用它來做一個比一般相對論好500倍的測試，這個衡量標準就是黑洞的影子大小。接下來，事件視界望遠鏡（EHT）團隊預計擴大後的望遠鏡陣列將拍攝到更高保真度的圖像，其中包括增加格陵蘭望遠鏡、圖森附近基特峰上的12米望遠鏡，以及北方延伸毫米陣列天文臺。當獲得位於銀河系中心的黑洞圖像時，就可以進一步限制對廣義相對論的偏離，那麼，愛因斯坦還會是對的嗎？

博科園｜研究/來自：亞利桑那大學

參考期刊《天體物理學》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.141104

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