爱因斯坦的最大“失误”可能要被修正了

作者:李彤馨/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2019-09-11

一个多世纪以来,宇宙常数一直困扰着物理学家。

爱因斯坦的最大“失误”可能要被修正了

上图是星系弯曲时空结构(绿色)和暗能量平滑效应(紫色)的图示,后者控制着引力效应。(图片来源:© NASA/JPL-Caltech)

物理学中有一个基本问题。

一个称为宇宙常数的数字,连接了量子力学的微观世界和爱因斯坦广义相对论的宏观世界。但两种理论都不能认同它的价值。

事实上,这个常数的观测值与理论上的预测值有着巨大的差异,它被广泛认为是物理学史上最差的预测。解决这一矛盾可能是本世纪理论物理学最重要的目标。

瑞士日内瓦大学理论物理学助理教授Lucas Lombriser介绍了一种评估爱因斯坦引力方程的新方法,以找到与观测值密切接近的宇宙常数值。他在10月10日出版的《物理快报B》线上发表了他的方法。

爱因斯坦的最大失误是如何变成暗能量的

宇宙常数的故事始于一个多世纪前,当时爱因斯坦提出了一套方程,现在称为爱因斯坦场方程(Einstein field equations),这些方程成为他广义相对论的框架。方程解释了物质和能量如何扭曲空间和时间结构,从而产生重力。当时,爱因斯坦和天文学家都同意宇宙的大小是固定的,星系之间的整体空间没有改变。然而,当爱因斯坦将广义相对论应用于整个宇宙时,他的理论预测了一个不稳定的宇宙,这个宇宙要么膨胀,要么收缩。为了迫使宇宙是静止的,爱因斯坦加上了一个宇宙常数。

近十年后,另一位物理学家Edwin Hubble发现,我们的宇宙不是静止的,而是膨胀的。来自遥远星系的光显示它们都在相互远离。这一结果说服爱因斯坦放弃他的场方程中的宇宙常数,因为对于一个膨胀的宇宙来说,它已经没有必要了。物理界传闻,爱因斯坦后来承认,引入宇宙常数也许是他最大的失误。

1998年,对遥远超新星的观测表明,宇宙不仅在膨胀,而且正在加速膨胀。星系正在相互加速,仿佛有一些未知的力量正在克服重力,把那些星系推开。物理学家们把这种神秘的现象命名为暗能量,因为它的真正性质仍然是一个谜。

具有讽刺意味的是,物理学家们再次将宇宙常数引入爱因斯坦的场方程中,以解释暗能量。在目前的宇宙学标准模型(称为ΛCDM,Lambda CDM)中,宇宙常数与暗能量可相互代替。天文学家甚至根据对遥远超新星的观测和宇宙微波背景的波动来估计其值。虽然这个值非常小(每平方米10-52左右),但在宇宙的层面上来说,它的重要性足以解释空间的加速膨胀。

“宇宙常数(或暗能量)目前约占我们宇宙中能量含量的70%,这是我们从观测到的宇宙目前所经历的加速膨胀中推断的。然而,这个常数并不为人所理解,”Lombriser说,“我们无法解释它,在如何理解宇宙方面,我们似乎缺少一些根本的东西。解开这个谜题是现代物理学的主要研究领域之一。人们普遍预测,解决这个问题会使我们对物理学有一个更基本的理解。”

这是物理学史上最糟糕的理论预测

宇宙常数被认为是物理学家所说的“真空能量”。量子场理论指出,即使在完全空旷的真空环境中,虚拟粒子也会大量出现和消失并产生能量——这是一个看似荒谬的想法,但是一个在实验中被真实观察到的想法。当物理学家试图计算它对宇宙常数的贡献时,问题就出现了。他们的结果与观测结果不同,其差值是令人惊讶的10121(即10后有120个零),这是所有物理学中理论和实验之间最大的差异。

这种差异甚至使一些物理学家怀疑爱因斯坦最初的引力方程;有些人甚至提出了替代的引力模型。然而,激光干涉仪引力波观测台(LIGO)的引力波的进一步证据只有广义相对论被加强了,并驳斥了许多替代理论。这就是为什么Lombriser没有重新思考重力,而是采取了不同的方法来解决这个宇宙难题。

“我提出的机制并没有修改爱因斯坦的场方程,”Lombriser说,相反,“我只是在爱因斯坦的场方程上增加了一个方程。”

引力常数,最初用于牛顿的重力定律,现在是爱因斯坦场方程的重要组成部分,描述了物体之间的引力大小。它被认为是物理学的基本常数之一,自宇宙开始以来一直不变。Lombriser做出了一个戏剧性的假设,即这个常数可以改变。

在Lombriser对广义相对论的修改中,引力常数在我们可观测的宇宙中保持不变,但在宇宙之外可以变化。他提出了一个多元宇宙设想,即其中可能有一些我们看不见的宇宙区域,不同的区域对应着不同的基本常数。

这种重力的变化给了Lombriser带来了一个额外的方程,该方程将宇宙常数与时空物质的平均总和联系起来。在计算了宇宙中所有星系、恒星和暗物质的估计质量后,他就可以求解这个新方程,为宇宙常数获得一个新的值——一个与观测结果非常一致的值。

他使用一个新的参数,即ΩΛ(omega lambda),表示由暗物质构成的宇宙的一部分,他发现宇宙是由约74%的暗能量构成的。这个数字与观测估计的68.5%值非常接近,与量子场理论发现的巨大差异相比,这是一个巨大的改进。

虽然Lombriser的框架可以解决宇宙常数问题,但目前没有办法对其进行测试。但在未来,如果来自其他理论的实验验证了他的方程,这可能意味着我们对暗能量的理解有一个重大飞跃,并提供一个工具来解决其它宇宙奥秘。


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