大家都知道,相對論是愛因斯坦提出的劃時代理論,為人類認知時空和引力做出了革命性貢獻。但這個理論真的萬無一失嗎?近日,一項新研究提出了測試時間扭曲的新方法,或許能讓我們重新審視相對論在宇宙大尺度上的適用性。

相對論的核心思想之一,就是時間並非絕對靜止的,而是會隨著引力場的變化而扭曲延緩。我們可以用一個簡單的比喻來理解:把時間想像成一條流淌的小溪,平靜時水流暢快;當遇到凹陷的地方時,水流就會減緩甚至停滯。這種引起時間變慢的"凹陷",在相對論中被稱為"引力井"。引力越強大,像黑洞這樣擁有極強引力的天體周圍,時間就越是拮据。

愛因斯坦的廣義相對論認為,品質會扭曲時空結構,因此會影響時間流逝的速率。而引力正是品質扭曲時空的一種表現形式。廣義相對論從理論上精確描述了時間在各種尺度上的扭曲情況,如飛機飛行、太空旅行、恆星運行等,目前已通過了無數精密測試。

然而,我們的宇宙中還存在著兩種未解之謎:暗物質和暗能量。兩者加起來約佔宇宙物質能量的95%,但本質上我們對它們一無所知。一個尚未解決的核心疑問是:廣義相對論是否真的能解釋暗物質和暗能量對時空結構的影響?

要回答這個問題,當然需要找到一種檢驗手段。最新研究中,日內瓦大學的Camille Bonvin副教授和同事們提出了一種全新的觀測方法。他們建議通過測量遙遠星系發出光子的"引力紅移"來推測時間在瀰漫暗物質和暗能量的宇宙大質量區域中是否也會被扭曲。

所謂"引力紅移",就是指光子為了逃脫一個天體的引力井,必須做功而導致光子能量減小、波長變長(偏紅移)的現象。如果暗物質和暗能量對時空也有明顯影響,那麼光子爬出宇宙大質量區域時也會發生類似的紅移效應。

這項新方法如果得以實施,最大的意義在於:通過對比時間扭曲和空間扭曲的差異,我們可以檢驗廣義相對論在解釋暗物質和暗能量方面的準確性,甚至考察其他替代理論的可能性。比如,著名的"歐拉方程"曾被用來描述星系運動軌跡,但我們不確定它是否也適用於暗物質領域。這種種謎團,都有望在新觀測方法的檢驗下迎刃而解。

除了暗物質之外,宇宙加速膨脹的另一個推手——暗能量,也將在新測試中"亮相"。如果暗能量真的是獨立於物質作用的"真空能量",那麼它對時空結構的影響就應當與物質不同。通過測量遙遠星系光子的紅移值,我們或許能間接探測暗能量如何改變時間的流速。

這一全新觀測方式,正是科學家們一直期盼的"宇宙實驗室"。借助未來的天文望遠鏡,如歐空局的"歐幾里得"和"暗能量光譜儀"等,人類或將在10至20年內完成這項巨集偉測試,最終判斷相對論在描述時空本質時到底還有何不足。

回顧歷史,相對論在提出後的最初幾十年裡,同樣曾遭受質疑和考驗。比如1919年,人類第一次觀測到了太陽引力對光線引起的曲折效應,從而為廣義相對論之說提供了有力證據。此後,相對論更在量子理論、大爆炸理論、黑洞理論等領域扮演了重要角色,被驗證無數次。

然而,當我們將視角轉移到廣闊宇宙的尺度時,暗物質、暗能量給廣義相對論帶來了前所未有的新挑戰。時空的本質和結構是否如我們想像的那樣單純,也許只有置身這個全新的"太空舞臺",我們才能一探究竟。