阿尔伯特·爱因斯坦(AlbertEinstein)于1915年提出广义相对论，彻底改变了我们对宇宙的看法。宇宙不再只是为行星和恒星相互绕转提供空间，空间和时间本身现在是物质和光不断演变的动态实体。

时间的引力扭曲有助于区分修正引力和暗力

爱因斯坦方程描述了恒星、星系和所有其他物质如何弯曲或扭曲空间和时间。然后，星系和光线根据18世纪瑞士数学家莱昂哈德·欧拉(LeonhardEuler)提供的方程在这个扭曲的时空中传播。

借助现代望远镜，我们可以观看这种舞蹈，并将其与科学两位巨人爱因斯坦和欧拉所编排的舞蹈进行比较。但我们能否区分爱因斯坦方程被违反的宇宙和欧拉方程被修改的宇宙呢?换句话说，如果我们用望远镜观察到的结果与爱因斯坦和欧拉的规定不一致，我们能分辨出两者中哪一个是错误的吗?

充满未知的宇宙

您可能想知道为什么人们首先要怀疑爱因斯坦或欧拉。毕竟，现有的观察结果已经完美地证实了他们的理论的有效性。之所以要对这些进行测试，是因为我们的宇宙充满了未知数。

20世纪30年代，瑞士裔美国天体物理学家弗里茨·茨维基(FritzZwicky)观察到，宇宙中的物质数量是我们用望远镜所能探测到的物质数量的五倍。他将这种新物质称为“暗物质”。

近100年后，我们仍然不知道暗物质是什么：我们从未检测到暗物质粒子，也不知道它是如何移动的。因此，质疑它是否表现得像普通物质并遵守欧拉定律是合理的。它是否会受到其他力和相互作用的影响，从而改变欧拉方程?

然后，在1998年，两组天体物理学家观察到，我们的宇宙正在加速膨胀，这与由于星系之间的引力作用而预期的减速相反。

截至今天，我们还不知道是什么导致了这种奇怪的行为：是否是由于另一种具有排斥引力的“黑暗”物质的存在?或者是由于引力本身造成的，这意味着爱因斯坦对引力在很远距离上的行为的预测是错误的?因此，检验爱因斯坦和欧拉方程是我们面临的谜团的逻辑结果。

合成图像显示了合并星系团Abell520核心中暗物质、星系和热气体的分布，该星系团是由大质量星系团剧烈碰撞形成的。图片来源：NASA、ESA、CFHT、CXO、MJJee(加州大学戴维斯分校)和A.Mahdavi(旧金山州立大学)

宇宙的遥远距离

检查爱因斯坦的引力是否在宇宙的遥远距离上起作用已成为一个活跃的研究领域。理论家提出了关于引力如何以不同方式发挥作用的新想法，而天文学家则使用日益先进的设施来提供测试它们所需的数据。

研究人员已经确定了一种特殊的“确凿证据”，即所谓的“引力滑移”。广义相对论预测，光和物质的路径在穿过相同的扭曲时空时应该以相同的方式弯曲。

这很像不同的物体在地球引力作用下以相同的速度下落(如果可以忽略空气阻力)——伽利略在比萨斜塔上著名地证明了这一点。通过比较星系落入引力井的方式与来自这些星系的光如何被引力透镜偏转，人们可以推断出它们是否感受到相同的引力。

如果发现它们不同，我们就会说存在引力滑移。测量滑移是欧洲航天局在Space-X火箭上发射的广角太空望远镜Euclid的主要目标之一。

但如果欧几里得发现有失误怎么办?我们能否确定它的发生是由于重力的修改，或者也可能是由于欧拉方程的修改?例如，如果星系中的暗物质受到新的力量的影响，后者就会有所不同。

引力滑移

我们两个人从不同的角度探讨了这个问题：一个涉及开发修改重力的测试，而另一个则研究广义相对论对我们通过星系巡天测量所添加的微妙修正。

令我们惊讶的是，虽然我们都认为答案是显而易见的，但我们最初的答案却相反。经过深入讨论，我们最终达成一致，并在《自然天文学》上发表了一篇论文。

我们的结论是，尽管有普遍的期望，但测量引力滑移将无法区分爱因斯坦定律的修改和欧拉方程的修改。

然而，如果人们能够测量称为“引力红移”的效应，这种区别可能是可能的，这应该可以通过暗能量光谱仪和即将推出的平方公里阵列等望远镜来实现。

我们的关键认识之一是，为了确定测量到的引力滑移是否预示着广义相对论的崩溃，我们需要测量正常物质在不局限于星系时的速度。然而，在实践中，我们只能观察到来自星系中恒星的光，因此它们与暗物质一起移动。

望远镜只能测量包含正常物质和暗物质的星系的集体运动。因此，如果一个星系以与我们预期不一致的方式陷入引力势，我们将无法判断这是因为暗物质正在做某事，还是因为引力被改变了。

光与重力

有一种方法可以直接通过引力红移扭曲时间的方式来探测引力势。

高山上的时钟与海平面上的时钟所走的时间是不同的。这些差异非常微小，但实际上在卫星导航系统的设计中非常重要。

当来自星系的光逃离它所落入的引力势时，它的颜色会变得更接近红色。这种引力红移完全是由于时间扭曲造成的。引力透镜效应与红移不同，它是由空间和时间扭曲引起的，而不仅仅是时间扭曲。

为了隔离引力滑移，我们需要同时具有透镜效应和红移。正是这种将空间和时间的扭曲与单独的时间扭曲分开的能力是测量真实引力滑移的关键。

如果无法轻松跟踪一对星系交换位置，那么测量引力红移是不可能的。虽然区分由望远镜测量的任何两个星系并不难，但当对数百万个星系的目录进行统计分析时，您很快就会失去为星系分配任何身份的能力;在某些时候，它们都被视为天空上的点。

然而，已经开发出了将星系分成不同群体并跟踪它们之间交换的技术。随着时间的推移，新技术将能够探测到引力红移的微小影响，从而区分暗物质欧拉方程的修改和引力的修改。