為了檢驗引力理論，有時需要「零」結果
1887年，物理學家邁克爾遜（Albert Michelson）和莫雷（Edward Morley）在凱斯西儲大學進行了物理學史上最著名的實驗之一。不像其他那些重要的實驗，他們並沒能找到原本想找的東西，但沒想到的是，他們的「零」發現卻意外地為相對論的提出鋪平了道路。
有時候，當科研人員在尋找新的東西時，甚至會期待實驗產生零結果 。例如，為了檢驗愛因斯坦廣義相對論，我們需要在實驗中尋找可能存在的任何偏差。
蒙大拿州立大學物理系的學生 Katie Chamberlain 說：「100多年來，廣義相對論一直是理解引力的基礎，我們必須要排除其他能取而代之的理論的可能性。」
事實上，自廣義相對論被提出來後，就有許多物理學家著手改進或提出其他的引力理論，旨在解釋各種不同的現象（比如暗物質和暗能量）或者解決廣義相對論與量子理論的不相容的問題。有一些理論預言了新的引力行為，並且可以在實驗室中被檢驗。
其中有一個實驗的目標是對地球和月球之間距離進行精確測量。而另一個實驗則涉及到了超導重力儀，它測量的是地球表面各個地方的重力強度。如果有任何引力效應是廣義相對論所沒有描述道的，你那麼應該會出現在這些實驗中，也就意味著我們或許發現了令物理學家為之傾倒的「新物理學」。
但如果所有的結果都完美地符合廣義相對論的預言，也並不意味著實驗就失敗了。
在美國卡爾頓學院從事超導重力儀分析的 Jay Tasson 說：「我們並不會因此而感到失望，因為這種零結果能告訴我們新物理學不在哪裡。這樣可以縮小人們需要繼續尋找新物理學的範圍。」
換句話說，即使是一個符合廣義相對論的實驗，也能告訴我們一些信息，在這種情況下，只要這些結果仍然成立，那麼哪些不符合這些實驗結果的理論（包括哪些還未出現的理論）就一定是錯誤的。
Tasson 說：「這個領域的進展通常是通過有著高於過去的任何研究的高敏感度來衡量的。」
最快樂的想法
雖然廣義相對論在數學上是非常複雜的，但它其實是基於一些簡單的概念。其中：僅受引力影響的物體不會感受到作用於它身上的其他任何力。這就是為何在國際空間站上的人可以自由漂浮，就好像根本沒有引力存在一樣，即使實際上在這個軌道的引力只比在地球表面低10％左右而已。愛因斯坦將這種認知稱為是他生命中「最快樂的想法」。
這一快樂思想的一個結果是「局域洛倫茲不變性」。「局域」的意思是指「大約在空間中的一個點上」，「不變性」則意味著在等效條件下執行的兩個實驗，應該有著相同的結果。舉個例子，如果在相同位置進行了兩次實驗，其中一個相對於另外一個旋轉了90度，那麼兩次實驗的結果應該相同，這便是 「局域洛倫茲不變性」。雖然真實的實驗在空間中佔用的區域不止一個點，但研究人員可通過精確測量和理解實驗的大小會如何影響實驗結果來對此進行彌補。
一些引力理論，包括弦理論和其他量子引力理論，預測了局域洛侖茲不變性的微小破缺。但這些破缺大多發生在目前的實驗水平還無法企及的更小長度範圍內，但有些效應有可能會「滲透」到可觀測的尺度中。
從事引力研究的物理學家並不會對某一個特定的替代理論進行測試，而是想出一個總體的框架，以模擬偏差。這一框架內包含了一系列的數值，對於廣義相對論而言，這些數值全為零。但不同的替代理論會有不同的預測，因此得到的數值也不盡相同。
Chamberlain 說：「目前，不同的引力修正理論有許多限制。由於現在我們能夠用更高靈敏度的儀器對更多的相對論時空進行探索，所以我們可以設置更嚴格的限制。」
測試，測試，測試
從阿波羅11號開始，宇航員在月球表面留下「反射鏡」，將光線直接反射回光源。地球上的天文學家通過望遠鏡向這些反射器上發射激光束，再測量光線返回天文台所需的時長。通過這些「月球激光測距」實驗，我們能夠更好的檢驗廣義相對論。
○ 1969年，在阿波羅11號任務中，宇航員在月球留下了這個反射鏡。天文學家在地球上的各地通過反射激光精確的測量了地月之間的距離。| 圖片來源：NASA/NASA Apollo Archive, Public Domain
博洛尼亞大學的 Adrien Bourgoin 說：「月球激光測距實驗的實用性主要源於其精確的數據。」他指出，這些實驗的精確度在厘米水平上，而地球和月球之間的距離為40萬公里。這足以檢驗出廣義相對論中可能出現的偏差。
例如，如果引力違反局域洛倫茲不變性，那麼它在月球與太陽對準時（全月和新月），以及月球和太陽相對於地球成直角時（半月）時，對光的傳播時間的影響會不同。這可看做大尺度版本的對實驗裝置的旋轉。
1969年，科學家進行了首次的地月距離的測試，之後還進行了一些後續實驗。Bourgoin 和他的同事們在5個不同天文台進行了13次的測試。
放置在月球上的反射器是為了測試相對論，但 Tasson和他的同事在相對論測試中使用的地球超導重力儀，主要是用於研究由於岩石密度、地震、月球拉力等因素導致的地球引力變化。這些儀器中包含的金屬球會被不斷地冷卻，直到它們成為超導體，這意味著電磁鐵的使用能讓它們懸浮於空中。通過讓它們在相同的高度上保持懸浮，儀器就能對該位置上的引力場進行測量。
正如在月球激光測距實驗中一樣，這些重力儀能提供大量的精確數據，有些可以追溯到十多年以前。Tasson 和他的合作者比較了世界各地多組重力儀之間的測量結果，來尋找任何無法用普通現象來解釋的變化。
兩組研究的科研人員總結認為，在這個精確度水平上，沒有檢測任何與違反廣義相對論相的情況。不過這兩種情況下的數據都比之前的有所改善，月球激光測距實驗的精度就比之前的測量結果要高出千倍之多。
Chamberlain 說：「任何能夠檢驗廣義相對論的實驗都是互補的。」 她的主要課題是研究未來的引力波天文台是否有可能發現廣義相對論的偏差——包括洛倫茲不變性的破缺。與地月之間對廣義相對論進行檢驗不同的是，這些引力波是來自已知最強的引力源：碰撞的黑洞和中子星。
她說：「我們需要非常強大的信號，才能分辨這些來自深空的引力波是否違反了洛倫茲不變性，又或者它們依舊符合廣義相對論的框架。「
與此同時，沒有人會對完全符合愛因斯坦的廣義相對論的實驗感到過於驚訝。
Bourgoin 說：「我很高興測量結果為『零』。否則我現在應該忙於弄清楚非零的測量結果是源於計算的錯誤，還是它們是真實存在的。」
○ 目前並沒有發現任何違反相對論的基本對稱性——洛倫茲不變性的證據。| 圖片來源：C. Carreau/ESA
他回想起2011年的一次實驗，中微子似乎出現了超光速的現象，但結果又在後面的分析中消失了。因此，一個看似違法了局域洛倫茲不變性的發現很有可能只是測量出現了問題，而非一個根本性的發現。
但是，機會總是存在的。而就像邁克爾遜-莫雷實驗一樣，「零」結果將能告訴我們新物理學可能隱藏或無法隱藏的地方。
撰文：Matthew R. Francis
原文鏈接：https://www.symmetrymagazine.org/article/looking-for-nothing-to-test-gravity
本文經授權轉載自《原理》微信公眾號
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