为了检验引力理论，有时需要“零”结果 1887年

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1887年，物理学家迈克尔逊(Albert Michelson)和莫雷(Edward Morley)在凯斯西储大学进行了物理学史上最著名的实验之一。不像其他那些重要的实验，他们并没能找到原本想找的东西，但没想到的是，他们的“零”发现却意外地为相对论的提出铺平了道路。

有时候，当科研人员在寻找新的东西时，甚至会期待实验产生零结果。例如，为了检验爱因斯坦广义相对论，我们需要在实验中寻找可能存在的任何偏差。

蒙大拿州立大学物理系的学生 KatieChamberlain说:“100多年来，广义相对论一直是理解引力的基础，我们必须要排除其他能取而代之的理论的可能性。”

事实上，自广义相对论被提出来后，就有许多物理学家着手改进或提出其他的引力理论，旨在解释各种不同的现象(比如暗物质和暗能量)或者解决广义相对论与量子理论的不相容的问题。有一些理论预言了新的引力行为，并且可以在实验室中被检验。

其中有一个实验的目标是对地球和月球之间距离进行精确测量。而另一个实验则涉及到了超导重力仪

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，它测量的是地球表面各个地方的重力强度。如果有任何引力效应是广义相对论所没有描述道的，你那么应该会出现在这些实验中，也就意味着我们或许发现了令物理学家为之倾倒的“新物理学

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”。

但如果所有的结果都完美地符合广义相对论的预言，也并不意味着实验就失败了。

在美国卡尔顿学院从事超导重力仪分析的 Jay Tasson说:“我们并不会因此而感到失望，因为这种零结果能告诉我们新物理学不在哪里。这样可以缩小人们需要继续寻找新物理学的范围。”

换句话说，即使是一个符合广义相对论的实验，也能告诉我们一些信息，在这种情况下，只要这些结果仍然成立，那么哪些不符合这些实验结果的理论(包括哪些还未出现的理论)就一定是错误的。

Tasson说:“这个领域的进展通常是通过有着高于过去的任何研究的高敏感度来衡量的。”

最快乐的想法

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虽然广义相对论在数学上是非常复杂的，但它其实是基于一些简单的概念。其中:仅受引力影响的物体不会感受到作用于它身上的其他任何力。这就是为何在国际空间站上的人可以自由漂浮，就好像根本没有引力存在一样，即使实际上在这个轨道的引力只比在地球表面低10%左右而已。爱因斯坦将这种认知称为是他生命中“最快乐的想法”。

这一快乐思想的一个结果是“局域洛伦兹不变性

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”。“局域”的意思是指“大约在空间中的一个点上”，“不变性”则意味着在等效条件下执行的两个实验，应该有着相同的结果。举个例子，如果在相同位置进行了两次实验，其中一个相对于另外一个旋转了90度，那么两次实验的结果应该相同，这便是 “局域洛伦兹不变性”。虽然真实的实验在空间中占用的区域不止一个点，但研究人员可通过精确测量和理解实验的大小会如何影响实验结果来对此进行弥补。

一些引力理论，包括弦理论和其他量子引力理论，预测了局域洛仑兹不变性的微小破缺。但这些破缺大多发生在目前的实验水平还无法企及的更小长度范围内，但有些效应有可能会“渗透”到可观测的尺度中。

从事引力研究的物理学家并不会对某一个特定的替代理论进行测试，而是想出一个总体的框架，以模拟偏差。这一框架内包含了一系列的数值，对于广义相对论而言，这些数值全为零。但不同的替代理论会有不同的预测，因此得到的数值也不尽相同。

Chamberlain说:“目前，不同的引力修正理论有许多限制。由于现在我们能够用更高灵敏度的仪器对更多的相对论时空进行探索，所以我们可以设置更严格的限制。”

测试，测试，测试

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从阿波罗11号开始，宇航员在月球表面留下“反射镜”，将光线直接反射回光源。地球上的天文学家通过望远镜向这些反射器上发射激光束，再测量光线返回天文台所需的时长。通过这些“月球激光测距”实验，我们能够更好的检验广义相对论。

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○ 1969年，在阿波罗11号任务中，宇航员在月球留下了这个反射镜。天文学家在地球上的各地通过反射激光精确的测量了地月之间的距离。|图片来源:NASA/NASAApollo Archive, Public Domain

博洛尼亚大学的 AdrienBourgoin说:“月球激光测距实验的实用性主要源于其精确的数据。”他指出，这些实验的精确度在厘米水平上，而地球和月球之间的距离为40万公里。这足以检验出广义相对论中可能出现的偏差。

例如，如果引力违反局域洛伦兹不变性，那么它在月球与太阳对准时(全月和新月)，以及月球和太阳相对于地球成直角时(半月)时，对光的传播时间的影响会不同。这可看做大尺度版本的对实验装置的旋转。

1969年，科学家进行了首次的地月距离的测试，之后还进行了一些后续实验。Bourgoin和他的同事们在5个不同天文台进行了13次的测试。

放置在月球上的反射器是为了测试相对论，但 Tasson和他的同事在相对论测试中使用的地球超导重力仪，主要是用于研究由于岩石密度、地震、月球拉力等因素导致的地球引力变化。这些仪器中包含的金属球会被不断地冷却，直到它们成为超导体，这意味着电磁铁的使用能让它们悬浮于空中。通过让它们在相同的高度上保持悬浮，仪器就能对该位置上的引力场进行测量。

正如在月球激光测距实验中一样，这些重力仪能提供大量的精确数据，有些可以追溯到十多年以前。Tasson和他的合作者比较了世界各地多组重力仪之间的测量结果，来寻找任何无法用普通现象来解释的变化。

两组研究的科研人员总结认为，在这个精确度水平上，没有检测任何与违反广义相对论相的情况。不过这两种情况下的数据都比之前的有所改善，月球激光测距实验的精度就比之前的测量结果要高出千倍之多。

Chamberlain说:“任何能够检验广义相对论的实验都是互补的。”她的主要课题是研究未来的引力波天文台是否有可能发现广义相对论的偏差--包括洛伦兹不变性的破缺。与地月之间对广义相对论进行检验不同的是，这些引力波是来自已知最强的引力源:碰撞的黑洞和中子星。

她说:“我们需要非常强大的信号，才能分辨这些来自深空的引力波是否违反了洛伦兹不变性，又或者它们依旧符合广义相对论的框架。“

与此同时，没有人会对完全符合爱因斯坦的广义相对论的实验感到过于惊讶。

Bourgoin说:“我很高兴测量结果为‘零’。否则我现在应该忙于弄清楚非零的测量结果是源于计算的错误，还是它们是真实存在的。”

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○目前并没有发现任何违反相对论的基本对称性--洛伦兹不变性的证据。|图片来源:C. Carreau/ESA

他回想起2011年的一次实验，中微子似乎出现了超光速的现象，但结果又在后面的分析中消失了。因此，一个看似违法了局域洛伦兹不变性的发现很有可能只是测量出现了问题，而非一个根本性的发现。

但是，机会总是存在的。而就像迈克尔逊-莫雷实验一样，“零”结果将能告诉我们新物理学可能隐藏或无法隐藏的地方。

撰文:Matthew R. Francis