最主流：广义相对论的进一步发展
最主流：广义相对论的进一步发展
提到“发展相对论”，人们往往会将其与“民科”联系在一起。然而，实际上，“发展广义相对论”是目前人类科技界“最主流”的事情。本文将通过多位科学家的观点和研究，探讨当前科学界对广义相对论的态度和研究方向。
一、中国大百科全书词条
1.1 相对论的天体测量检验
广义相对论并不是当今存在的唯一引力理论。一方面是因为实验和观测还不能对理论做出最后的选择，也来自物理理论本身发展的需求。暗物质和暗能量的理论解释，量子引力理论的发展，都使得物理学家认为广义相对论不是最后的引力理论。高精度天体测量是检验引力理论的主要手段。
相对论等引力理论的理论基础是等效原理。它可以分成3个层次，从低到高为：弱等效原理（Weak Equivalence Principle，WEP），爱因斯坦等效原理（Einstein Equivalence Principle，EEP），强等效原理（Strong Equivalence Principle，SEP）。
SEP则将WEP和EEP中的试验体推广到自引力不能忽略的物体，将非引力实验扩展为所有的实验。
WEP和EEP已经有相当坚实的实验验证。主要是地面和空间的物理实验，其中也有一些是天体测量实验。
广义相对论通过了所有的天体测量实验验证，主要在太阳系内。大部分情况下，只是对弱场的1阶后牛顿近似进行了一些验证，需要进一步提高精度，并且通向强场相对论效应的验证。
1.2 其他相对论性引力理论
爱因斯坦广义相对论已经通过了许多观测和实验检验，是一个非常成功的引力理论。但引力的不可重正化、时空奇点、暗物质（星系的旋转曲线与预期不一致）和暗能量（当前宇宙的加速膨胀）等问题仍然是爱因斯坦广义相对论所面临的挑战。
除了广义相对论之外，还有许多其他引力理论。为了检验不同的引力理论，人们建立了参数化后牛顿方法（简称为PPN方法），即在后牛顿近似中引入10个参数。不同的引力理论给出不同的参数值，由观测或实验测定这些参数，则可判定哪种理论与观测结果相符。
1.3 修改的引力理论
超出爱因斯坦广义相对论的描述引力现象的一类物理模型。又称另类引力理论（alternative gravitationed theory）。
目前推动研究修改的引力理论的动机主要来自现象学的发展，特别是一系列天文及宇宙学实验所揭示的违反过去认知的引力现象。其中，代表性的理论有以基于刻画时空曲率的里奇标量所提出的F(R)理论和引入时空挠率而构建的F(T)理论等。
修改的引力理论亦可在不引入暗能量的情况下来解释当前的宇宙加速膨胀。
二、爱因斯坦本人
波普尔关于科学与非科学分界问题的主张，主要是受爱因斯坦及其相对论的影响。相对论的确立表明牛顿力学是可反驳的。爱因斯坦对自己的理论持批判的态度，随时准备被证伪后就放弃。这就使波普尔认为可证伪性是科学的不可缺少的特征，凡是不可能被经验证伪的命题，如本体论问题、形而上学问题、数学和逻辑上的重言式命题、宗教、神学和占星术都属于非科学。
三、上海交大携手《科学》杂志向全球发布125个科学问题
Astronomy 天文学
- Is Einstein's general theory of relativity correct?
15.爱因斯坦的广义相对论
爱因斯坦的广义相对论（GR）成功地描述了引力。尽管它已在弱场极限的局部宇宙中得到证明，但在一般强场情况下，它在很大程度上仍未经过测试。尽管爱因斯坦的引力理论已经通过了迄今为止的所有测试，但我们不能确定它是否适用于所有条件下的所有地方，并且它是否延伸到宇宙的最远极限。与GR的最大偏差预计出现在黑洞周围最强的引力场中，不同的引力理论做出了截然不同的预测。现在，由于引力波探测和超大质量黑洞成像等观测技术的进步，我们可以在强场条件下测试GR。这确实是一个及时的问题。
四、中国科学院院士
4.1 武向平（中国科学院院士）
经过三十多年的努力，天文学家终于给出了所谓宇宙微波背景辐射角功率谱的精准测量，得出的结论使得我们多少有点惊奇：宇宙的宏观几何形式是平坦的（Ωk=0），三角形内角之和正好等于180°。于是，宇宙将永远膨胀下去。
找到了主宰宇宙命运的暗物质粒子和确定了暗能量性质，无疑是这个世纪物理学最重大的发现，而建立新的物理学以代替广义相对论，从而驱散笼罩在物理学天空的暗物质和暗能量这两朵“乌云”，同样也会引起物理学的又一次革命。我们已经走到了物理学发展史上一个新的转折点，一场新的变革和革命即将在物理学发生。我们期待，我们也为之而奋斗。
4.2 “慧眼”背后的李惕碚院士
2003年,美国探测宇宙微波背景辐射的卫星WMAP发布了宇宙组分:暗能量73%、暗物质23%、普通物质4%。当学界为宇宙学从此成为“精确科学”而欢欣鼓舞时,李惕碚则根据多年实验观测工作的经验,发现其中存在系统误差。在重新分析了WMAP的原始数据后,李惕碚于2009年公布了新的结果:暗能量68%,暗物质27%,普通物质5%。然而,挑战权威的代价是,这个结果在国内外专业刊物上都发表不了,只能放到网上。2013年3月,欧空局宣布了性能远高于WMAP的微波背景卫星Planck得到的宇宙组分:暗能量68.3%、暗物质26.8%、普通物质4.9%,与李惕碚组的结果几乎完全相同。
李惕碚说:“从WMAP和Planck的数据,我们还得到了一个更重要的结果:微波背景温度分布的四极矩在误差范围内为零,它表明极早期宇宙几乎不存在温度和密度涨落。这不但与建立在广义相对论基础上的大爆炸宇宙学不相容,也完全违背了量子场论对于真空涨落的预期。”
这一次,李惕碚要挑战的是以爱因斯坦、霍金为代表人物的宇宙学标准模型。在这个深入人心的主流模型中,宇宙诞生于一次大爆炸,将在不断地加速膨胀中最终走向大撕裂。“爱因斯坦在提出广义相对论的时候,只知道有物质,不知道有暗能量,整个宇宙只有相互吸引的力,没有相互排斥的力,所以他创造的广义相对论的引力理论适用于黑洞这样的天体系统,却不能用于描述宇宙。”
经过数年的酝酿,对于宇宙的构成、起源、演化及归属问题,李惕碚给出了完全不同的回答。不过,他指出,这种新的模型是否正确,还需要天文观测来检验,按照现在的发展态势,五到十年之内应当可以判定谁是谁非。
人类实现“超越爱因斯坦”的目标需要持续的努力。“在中国,从发展高空气球到发射空间天文卫星,这个过程汇聚了两代人近40年的努力。现在,通过HXMT项目成长起来的研制和科学队伍,以及他们取得的空间探测器国产化的优异成绩,也是我们实现最终的科学目标的可贵基础。”李惕碚说。
五、彭桓武院士（“两弹一星”功勋奖章）、因费尔德 Leopold Infeld
因费尔德曾是爱因斯坦的合作研究者，他们合著的科普书《物理学的进化》影响广泛。当我提到广义相对论不如狭义相对论或量子力学那样有许多科学检验和效益时。他说广义相对论仍是一个启发性的理论（stimulating theory）。
卓有远见的科学家：彭桓武院士（1915-10-062007-02-28, 92）、英费尔德（Leopold Infeld, 1898-08-201968-01-15, 70）。
他们半个多世纪以前就判断出“广义相对论”的局限性。
爱因斯坦和英费尔德，1938年，Einstein and Leopold Infeld, 1938.
六、其它
6.1 Christopher J. Moore等人的研究
对双星黑洞的引力波观测允许对强动态引力场进行广义相对论（GR）的新测试。这些测试需要重力波信号的精确波形模型；否则，波形误差可能会错误地暗示新物理学的证据。现有的波形通常被认为对于当前的观测来说足够准确，迄今为止观测到的每个事件似乎都与GR一致。在不久的将来，随着引力波目录的增加，通过同时分析大量事件，将有可能对重力进行更严格的测试。然而，波形误差可能会在事件之间累积：即使波形模型对每个单独的事件都足够准确，当应用于大型目录时，它仍然可能为新物理学提供错误的证据。本文以Fisher矩阵计算的方式提出了一种简单的线性化分析，揭示了随着目录大小的增加，由于波形误差导致的新物理学的明显证据增长的条件。我们估计，在最坏的情况下，使用信噪比为20的目录，在某些测试中可能会出现与GR偏差的证据，目录中只包含10-30个事件。这接近于当前目录的大小，并强调了在进行此类实验时需要谨慎。
6.2 英国伯明翰大学研究人员的发现
英国伯明翰大学研究人员表示，当物理学家将多个引力波事件（如黑洞碰撞）结合起来测试爱因斯坦广义相对论时，小的建模误差积累可能会比之前预期的得更快。相关论文6月16日刊登于Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience（《交叉科学》）。研究结果表明，如果一个目录中有10到30个事件，而信噪比为20（这对于此类测试中使用的事件来说很典型），就可能产生偏离广义相对论的误导，错误地指向根本不存在的新物理现象。因为这接近于目前用来评估爱因斯坦理论的目录的大小，作者认为物理学家在进行这样的实验时应该谨慎。
参考文献
- 中国大百科全书词条：相对论的天体测量检验
- 中国大百科全书词条：其他相对论性引力理论
- 中国大百科全书词条：修改的引力理论
- 波普尔，K.R. /Karl Raimund Popper/夏基松
- 上海交大携手《科学》杂志向全球发布125个科学问题
- 武向平（中国科学院院士）.天文学中的暗物质和暗能量问题之由来和困惑
- “慧眼”背后的李惕碚院士：科学路上“少数派”
- 彭桓武院士（“两弹一星”功勋奖章）、因费尔德 Leopold Infeld
- Christopher J. Moore, Eliot Finch, Riccardo Buscicchio, Davide Gerosa. Testing general relativity with gravitational-wave catalogs: The insidious nature of waveform systematics. iScience, 2021, 24(6): 102577.
- 英国伯明翰大学研究人员的相关研究