三年前，天體物理學家湯姆·科萊特著手檢驗一個理論。不僅僅是一個普通理論，而是一個設定科學家對宇宙如何運作的期望的理論：愛因斯坦的廣義相對論。該理論於 1915 年首次發表，從數學上描述了引力如何從空間和時間（或物理學家所說的時空）的基本幾何結構中產生。它假設，像地球和太陽這樣的稠密物體會在時空中形成谷狀凹陷，這些凹陷表現為引力——這種力將星系中旋轉的恆星束縛在一起，將行星圍繞太陽旋轉，並且在地球（或任何其他行星）上，讓你的腳踩在地面上。
愛因斯坦的方程式支撐著許多現實世界的應用，例如使精確導航和瞬間金融交易在全球範圍內成為可能的全球定位衛星。它們還闡明瞭一些其他無法解釋的現象，包括水星的古怪軌道，並預測了新的現象，例如引力波——時空中的漣漪，直到廣義相對論首次提出一個世紀後才被直接觀測到。在一次又一次的測試中，無論是在地球上還是在對遙遠宇宙的觀測中，該理論都安然無恙地出現——其成功之令人震驚的堅定不移，吸引了一批特定的科學家，如同飛蛾撲火般地想要揭示愛因斯坦宏偉理論中的裂縫，從而可能導致物理學領域的下一個突破。
科萊特是英國朴茨茅斯大學的研究員，他就是其中之一。“廣義相對論是我們對宇宙學和天體物理資料集的解釋所依據的基本假設，我們最好確保它是正確的，”他說。 懷著這種心態，科萊特在 2015 年與九位同事合作，進行了迄今為止最敏感的實驗，以測試愛因斯坦的著名理論是否在一個完整星系的尺度上仍然成立。他們的結果於 6 月 21 日在《科學》雜誌上發表，重申愛因斯坦的理論仍然至高無上。
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即便如此，廣義相對論在某些方面不完整，甚至可能存在根本缺陷，這已不是什麼秘密：例如，它無法解釋黑洞內部或大爆炸最初瞬間的情況。該理論與現代天文學和宇宙學的一個基本原則也存在複雜的關係——即宇宙充滿了暗物質，這是一種神秘的、看不見的物質，它僅透過引力與正常物質相互作用。
天文學家在 20 世紀 30 年代發現了暗物質的第一個跡象，他們觀察到恆星以極快的速度圍繞其他星系旋轉，以至於它們本應飛入星系際空間；某種隱藏的引力之手——暗物質——必定將它們固定在原地。或者，廣義相對論對引力的計算在星系尺度上以某種方式失效，導致星系外圍出現違反理論的恆星運動。類似地，在 1998 年，宇宙學家發現證據表明宇宙的膨脹速度比預期的要快，這是由一種更神秘的暗能量驅動的。2011 年，該研究獲得了諾貝爾獎，但其有效性取決於廣義相對論是否是宇宙尺度上對引力的正確描述。
在他們的測試中，科萊特及其合作者專注於兩個在天體排列上巧合一致的星系，其中一個沿著地球觀測者的視線直接位於另一個星系的前面。根據廣義相對論，“前景”星系的巨大體積會扭曲周圍的時空結構，形成一個“引力透鏡”，從而扭曲和放大遙遠背景星系的光。精確測量這些扭曲，您就可以很好地瞭解根據廣義相對論前景星系應該包含多少質量。
科萊特的關鍵見解是，可以透過監測前景星系中恆星的運動來輕鬆地複核此估計，從而得出獨立的質量測量值。儘管已知有數百個星系引力透鏡，但只有少數幾個足夠近，可以看到其單個恆星。科萊特說，距離僅 4.5 億光年——在宇宙學上來說是相對較近的距離——這個特定的前景星系是進行此類觀測的理想候選者。“最初的靈光一閃的時刻是當我意識到我們可以測量它時，”他說。
這些測量需要調集世界上兩種最先進的光學儀器的綜合力量——位於近地軌道的美國宇航局哈勃太空望遠鏡和位於智利安第斯山脈的歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡 (VLT)。科萊特的團隊使用哈勃望遠鏡透過引力透鏡測量前景星系的質量，並使用 VLT 透過測量圍繞其邊緣旋轉的恆星的速度來測量其質量。在仔細分析和比較資料後，他們發現這些獨立的質量測量值之間存在驚人的一致性。實驗結果的誤差幅度僅為 9%，是對我們太陽系之外的廣義相對論進行的最精確的測量。該結果還間接支援了該理論在面對暗物質、暗能量和其他宇宙難題時的有效性。
“這是廣義相對論的又一項成就，這是真的——但這並非真正反對任何其他理論”，除了對引力的少數替代解釋之外，西儲大學的天體物理學家斯泰西·麥高說，他沒有參與這項研究。他說，這一新結果的真正價值在於其前所未有的規模和精度，無論人們偏愛的理論是什麼，都具有相關性。麥高應該知道——他是暗物質和廣義相對論引力描述的替代方案方面思想更開放的研究人員之一。他研究一類昏暗、彌散的星系，這些星系似乎無視這些理論的某些原則。“這是任何你想構建的理論都必須滿足的又一個測試，”他說。
加州大學洛杉磯分校的引力透鏡專家托馬索·特魯說，他與科萊特的研究無關，目前，任何努力推翻愛因斯坦在 1915 年開始的未完成革命的科學家都必須記住，駁斥一個經過時間考驗的、具有百年曆史的理論將是一項非凡的成就，需要同樣非凡的證據。“每個人都希望證明愛因斯坦是錯的，”特魯說。“沒有比這更好的成名方式了。”
這種說法對科萊特來說是真實的，他說他曾希望結果會與廣義相對論設定的預期有所不同。為此，他已經在進行一項後續實驗，該實驗使用稍微遠離地球的不同引力透鏡，再次測試廣義相對論。
“推翻共識通常起初非常、非常困難——但通常會帶來巨大的回報，”特魯說。