[论文解读] General Theory of Relativity: Will it survive the next decade?
本文通过先进的空间实验评估了爱因斯坦广义相对论（GR）的未来可行性，提出利用光学干涉测量和激光测距技术进行高精度测试，以探测GR的偏离。文章强调了像LATOR这样的任务，利用空间平台以前所未有的精度探测引力效应，旨在检验等效原理、探测标量场，并寻找超越GR的新引力相互作用。
The nature of gravity is fundamental to our understanding of our own solar system, the galaxy and the structure and evolution of the Universe. Einstein's general theory of relativity is the standard model that is used for almost ninety years to describe gravitational phenomena on these various scales. We review the foundations of general relativity, discuss the recent progress in the tests of relativistic gravity, and present motivations for high-accuracy gravitational experiments in space. We also summarize the science objectives and technology needs for the laboratory experiments in space with laboratory being the entire solar system. We discuss the advances in our understanding of fundamental physics anticipated in the near future and evaluate discovery potential for the recently proposed gravitational experiments.
研究动机与目标
- 评估广义相对论在未来十年内面对日益严格的实验测试时是否能够经受住检验。
- 识别修改GR的理论动机，包括与量子引力的不相容性、暗能量以及标量-张量理论。
- 推动高精度空间实验作为测试相对论引力的受控实验室。
- 推进实现空间中高精度引力测试所需技术的发展，如稳定激光和无拖引系统。
- 探索太阳系尺度实验在揭示超越GR的新物理方面的潜力，包括新作用力和基本常数的变化。
提出的方法
- 提出LATOR（激光天体测量与测距）任务作为一项基于空间的光学干涉测量实验，用于检验相对论引力。
- 使用单色激光信号和窄带滤波器，以抑制太阳背景噪声，并实现在太阳附近的高精度天体测量。
- 采用外差检测和日冕仪光学技术，以在极端光照条件下提高信噪比。
- 利用国际空间站（ISS）作为地球大气层之上的稳定平台，以减少大气噪声。
- 结合深空跟踪与光学技术，以亚微角秒精度测量引力光线偏转和时间延迟。
- 整合无拖引技术与高稳定性频率标准，以在微重力环境中保持实验稳定性。
实验结果
研究问题
- RQ1能否利用空间中的光学技术实现对广义相对论更高精度的检验？
- RQ2是否存在由于标量场或新长程力导致的广义相对论偏离？
- RQ3空间实验能否解决宇宙学常数问题并探测暗能量？
- RQ4在极端引力条件下，等效原理和基本常数的恒定性是否仍然成立？
- RQ5太阳系内的实验室实验能否探测到统一场论所预言的新引力相互作用？
主要发现
- 广义相对论在过去近一个世纪中经受住了所有实验检验，但需要更高精度的测试以探测潜在偏离。
- LATOR任务预计可实现亚微角秒量级的天体测量精度，从而以前所未有的精度检测相对论性光线偏转。
- 光学技术可降低地球大气噪声影响，并允许对靠近太阳边缘的航天器进行观测，克服了无线电方法的局限性。
- 基于空间的光学干涉测量可实现高带宽、低噪声通信，且无需大型可展开天线。
- 稳定激光、频率标准与无拖引系统的结合，使空间中的高精度引力实验成为可能。
- 这些实验可能揭示新物理现象，如标量场或等效原理的破坏，这些现象或可实现引力与量子力学的统一。
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