三年前，天体物理学家汤姆·科莱特着手检验一个理论。不仅仅是一个普通理论，而是一个设定科学家对宇宙如何运作的期望的理论：爱因斯坦的广义相对论。该理论于 1915 年首次发表，从数学上描述了引力如何从空间和时间（或物理学家所说的时空）的基本几何结构中产生。它假设，像地球和太阳这样的稠密物体会在时空中形成谷状凹陷，这些凹陷表现为引力——这种力将星系中旋转的恒星束缚在一起，将行星围绕太阳旋转，并且在地球（或任何其他行星）上，让你的脚踩在地面上。
爱因斯坦的方程式支撑着许多现实世界的应用，例如使精确导航和瞬间金融交易在全球范围内成为可能的全球定位卫星。它们还阐明了一些其他无法解释的现象，包括水星的古怪轨道，并预测了新的现象，例如引力波——时空中的涟漪，直到广义相对论首次提出一个世纪后才被直接观测到。在一次又一次的测试中，无论是在地球上还是在对遥远宇宙的观测中，该理论都安然无恙地出现——其成功之令人震惊的坚定不移，吸引了一批特定的科学家，如同飞蛾扑火般地想要揭示爱因斯坦宏伟理论中的裂缝，从而可能导致物理学领域的下一个突破。
科莱特是英国朴茨茅斯大学的研究员，他就是其中之一。“广义相对论是我们对宇宙学和天体物理数据集的解释所依据的基本假设，我们最好确保它是正确的，”他说。 怀着这种心态，科莱特在 2015 年与九位同事合作，进行了迄今为止最敏感的实验，以测试爱因斯坦的著名理论是否在一个完整星系的尺度上仍然成立。他们的结果于 6 月 21 日在《科学》杂志上发表，重申爱因斯坦的理论仍然至高无上。
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即便如此，广义相对论在某些方面不完整，甚至可能存在根本缺陷，这已不是什么秘密：例如，它无法解释黑洞内部或大爆炸最初瞬间的情况。该理论与现代天文学和宇宙学的一个基本原则也存在复杂的关系——即宇宙充满了暗物质，这是一种神秘的、看不见的物质，它仅通过引力与正常物质相互作用。
天文学家在 20 世纪 30 年代发现了暗物质的第一个迹象，他们观察到恒星以极快的速度围绕其他星系旋转，以至于它们本应飞入星系际空间；某种隐藏的引力之手——暗物质——必定将它们固定在原地。或者，广义相对论对引力的计算在星系尺度上以某种方式失效，导致星系外围出现违反理论的恒星运动。类似地，在 1998 年，宇宙学家发现证据表明宇宙的膨胀速度比预期的要快，这是由一种更神秘的暗能量驱动的。2011 年，该研究获得了诺贝尔奖，但其有效性取决于广义相对论是否是宇宙尺度上对引力的正确描述。
在他们的测试中，科莱特及其合作者专注于两个在天体排列上巧合一致的星系，其中一个沿着地球观测者的视线直接位于另一个星系的前面。根据广义相对论，“前景”星系的巨大体积会扭曲周围的时空结构，形成一个“引力透镜”，从而扭曲和放大遥远背景星系的光。精确测量这些扭曲，您就可以很好地了解根据广义相对论前景星系应该包含多少质量。
科莱特的关键见解是，可以通过监测前景星系中恒星的运动来轻松地复核此估计，从而得出独立的质量测量值。尽管已知有数百个星系引力透镜，但只有少数几个足够近，可以看到其单个恒星。科莱特说，距离仅 4.5 亿光年——在宇宙学上来说是相对较近的距离——这个特定的前景星系是进行此类观测的理想候选者。“最初的灵光一闪的时刻是当我意识到我们可以测量它时，”他说。
这些测量需要调集世界上两种最先进的光学仪器的综合力量——位于近地轨道的美国宇航局哈勃太空望远镜和位于智利安第斯山脉的欧洲南方天文台的甚大望远镜 (VLT)。科莱特的团队使用哈勃望远镜通过引力透镜测量前景星系的质量，并使用 VLT 通过测量围绕其边缘旋转的恒星的速度来测量其质量。在仔细分析和比较数据后，他们发现这些独立的质量测量值之间存在惊人的一致性。实验结果的误差幅度仅为 9%，是对我们太阳系之外的广义相对论进行的最精确的测量。该结果还间接支持了该理论在面对暗物质、暗能量和其他宇宙难题时的有效性。
“这是广义相对论的又一项成就，这是真的——但这并非真正反对任何其他理论”，除了对引力的少数替代解释之外，西储大学的天体物理学家斯泰西·麦高说，他没有参与这项研究。他说，这一新结果的真正价值在于其前所未有的规模和精度，无论人们偏爱的理论是什么，都具有相关性。麦高应该知道——他是暗物质和广义相对论引力描述的替代方案方面思想更开放的研究人员之一。他研究一类昏暗、弥散的星系，这些星系似乎无视这些理论的某些原则。“这是任何你想构建的理论都必须满足的又一个测试，”他说。
加州大学洛杉矶分校的引力透镜专家托马索·特鲁说，他与科莱特的研究无关，目前，任何努力推翻爱因斯坦在 1915 年开始的未完成革命的科学家都必须记住，驳斥一个经过时间考验的、具有百年历史的理论将是一项非凡的成就，需要同样非凡的证据。“每个人都希望证明爱因斯坦是错的，”特鲁说。“没有比这更好的成名方式了。”
这种说法对科莱特来说是真实的，他说他曾希望结果会与广义相对论设定的预期有所不同。为此，他已经在进行一项后续实验，该实验使用稍微远离地球的不同引力透镜，再次测试广义相对论。
“推翻共识通常起初非常、非常困难——但通常会带来巨大的回报，”特鲁说。