检验欧拉和爱因斯坦的理论

欧拉（Leonhard Euler）和爱因斯坦（Albert Einstein）都是我们非常熟悉的科学家，他们提出的理论彻底改变了我们对宇宙的理解。以欧拉的名字命名的著名方程，为科学家提供了计算宇宙中星系运动的强大工具；而爱因斯坦提出的引力理论——广义相对论则表明，宇宙并非是一个静态的框架，它可以被星团或星系扭曲。

物理学家已经用各种方法检验了欧拉和爱因斯坦书写的方程，并且到目前为止都被证明它们是成功的。然而，自发现暗物质和宇宙加速膨胀以来，研究人员并不确定这些神秘的现象是否仍然遵循欧拉和爱因斯坦的方程。

一个充满未知的宇宙

在20世纪30年代，天体物理学家兹威基（Fritz Zwicky）就已经注意到，星系团中的可见物质的总量与星系本身运动之间存在差异。他认为，星系团之中或许存在大量看不见的物质与可见物质发生了引力作用。他把这些看不见的物质称为“暗物质”。现代天文学观测表明，暗物质约占宇宙中所有物质的85%。

研究人员认为，暗物质很可能是由未知的粒子构成的。但由于我们从未探测到过暗物质粒子，因此质疑它是否具有像普通物质一样的行为，以及是否遵循欧拉方程的描述，是情有可原的。

1998年，两组天体物理学家观测到，我们的宇宙正在加速膨胀。这个发现完全出乎意料，因为由于星系和星系团之间的引力作用，宇宙的膨胀应该会随着时间逐渐减慢，但真实情况却并非如此。

时至今日，我们仍不知道是什么导致了这种奇怪的现象。它是否与某种未知的排斥力有关？又或者它与引力本身有关，换句话说，这是否意味着广义相对论在远距离上的行为的预测需要被修正？

引力滑移

宇宙加速膨胀的发现和暗物质的未知本质，促使着理论学家提出了许多新的修改引力理论（modified gravity theories），天文学家也使用越来越先进的设备，为验证这些奇思妙想提供所需的数据。

“引力滑移”（gravitational slip）正是修改引力理论的一个关键特征，它指的是物质和光感受到引力的方式的差异。

根据广义相对论，在相同的扭曲时空中，光和物质的运行路径应该以相同的方式弯曲。这与传说中伽利略在比萨斜塔上进行的著名论证很像，即在地球引力作用下，不同的物体以相同的速度下落（忽略空气阻力）。

通过使用当前的观测数据，来比较星系落入引力阱的方式和来自这些星系的光如何被引力透镜偏折，就可以推断出它们是否经历了相同的引力。如果发现它们是不同的，那么就可以说存在引力滑移。测量这种引力滑移正是刚刚与7月升空的欧几里得空间望远镜的主要目标之一。

如果欧几里得空间望远镜发现了滑移呢？天文学家要如何才能确定它的发生是由引力的修改导致的，还是由欧拉方程的修改导致的？（如果有一种未知的暗力作用于暗物质，那么欧拉方程就需要被修改。）

在一项发表于《自然·天文学》中，研究人员证明了，测量引力滑移并不能帮助我们有效区分引力的修改和欧拉方程的修改。但是，如果能够测量到“引力红移”效应，那么是有可能做出这种区分的。

引力红移追踪的是由宇宙中存在的大质量天体（如星系和星系团）所造成的时间畸变：当星系发出的光穿过这些时间畸变时，它的颜色会转移到更长的波长。通过将这种时间畸变与引力透镜（对时间畸变和空间畸变的总和很敏感）进行比较，就可以直接测出真正的引力滑移。

未来的工作

这项研究结果将为几个旨在确定宇宙加速膨胀的起源和暗物质的本质的天文学任务作出重要贡献。其中包括于2023年7月发射的欧几里得空间望远镜，以及于2021年在亚利桑那州开始其5年任务的暗能量光谱仪器（DESI），还有将于2028或2029年开始观测位于南非和澳大利亚的平方千米阵（SKA）。

这些任务或许能够探测到引力红移的微弱效应，从而将欧拉方程的修改与引力的修改区分开来。

#创作团队：

撰文：不二北斗

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.nature.com/articles/s41550-023-02003-y

#图片来源：

封面图&首图：NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee (University of California, Davis), and A. Mahdavi (San Francisco State University)