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广义相对论诞生一百年后:仍然是人类探索宇宙
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www.337.net,研究揭示量子真空能驱动宇宙加速膨胀

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加拿大不列颠哥伦比亚大学的物理学家或已解决当前宇宙学中最大的谜题之一:是什么导致宇宙加速膨胀?

爱因斯坦的广义相对论预言,巨大的物体会扭曲它们周围的时空。而美国宇航局的重力探测器B发现,地球周围的时空确实被我们地球所弯曲,并被地球的旋转运动所扭曲。来源:NASA

该研究团队试图解决量子力学和爱因斯坦的广义相对论之间的不兼容性,并以此解释宇宙学常数问题和暗能量疑难。相关成果近日发表于《物理评论D》,并被选为编辑推荐文章。该期刊审稿人认为,文章“提出了解决宇宙常数问题的新方法”,含有“具有重要影响力的原创思想”。

阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论在问世一个世纪后,仍然经受得住时间的考验。

新研究推断,如果放大人们生活的宇宙空间,将看到时空不断剧烈地膨胀和收缩。“时空并不像看上去那样是静止的,它在不停地运动。”该文章主要作者、不列颠哥伦比亚大学中国留学生王清涤博士说。

爱因斯坦于1915年发表的这一著名理论,至今仍是科学家们理解宇宙起源和进化的基石。它继续激发着人们去研究物理学和天文学中的一些最基本的未解之谜。

1998年,天文学家发现宇宙正在加速膨胀,这说明宇宙真空并非空无一物,其中存在着驱动宇宙膨胀的动力——占整个宇宙68.3%的物质暗能量。

来自斯坦福大学卡弗里粒子天体物理和宇宙学研究所的罗杰·布兰德福德说:“我认为广义相对论现在被普遍接受为我们用于描述宇宙的基础(即我们称之为宇宙学的学科);黑洞、中子星以及我们的太阳系中的行星和宇宙飞船的微小轨道修正都是如此。”

暗能量最自然的候选者就是物质场的真空能。当物理学家将量子力学应用于真空能的计算时,发现了令人难以置信的高密度真空能。而爱因斯坦的广义相对论表明,如此巨大的能量会导致很强的引力效应,多数物理学家认为它将导致整个宇宙以无法想象的速度膨胀。

引力的性质

然而,现在的宇宙膨胀的速度非常慢,比物理学家预言的小了50到120个数量级。这造成了基础物理学的重大难题:这个结合了现代物理学两大基石——量子力学和广义相对论而做出的预言竟然比实际观测值小10120倍。这被弦理论创始人之一、斯坦福大学教授李奥纳特•苏士侃(Leonard Susskind)称为“有史以来物理学中最糟糕的预言”。菲尔兹奖得主、普林斯顿高等研究院教授爱德华•威滕(Edward Witten) 认为这个问题是“阻碍基础物理学进步的最大障碍之一”。诺贝尔物理学奖得主史蒂文•温伯格(Steven Weinberg)认为这是基础物理学的一个真正的危机。

广义相对论将引力添加到爱因斯坦1905年发表的狭义相对论中。狭义相对论假定所有非加速观察者的物理定律都是相同的;即使观察者或光源在运动,真空中的光速也不会改变。

物理学家做出了很多努力,要么设法修改量子力学理论以尽可能减少真空能的数值,要么修改广义相对论使巨大的真空能不产生引力效应。王清涤和导师、该校物理学和天文学教授威廉•盎鲁(William G. Unruh)及另一位博士生朱震则提出了一种全新的解决方案。他们严肃对待量子力学预测的巨大真空能,并认为它的确遵循广义相对论的等效原理。在研究中他们发现此前的计算忽略了一些真空能的重要性质。

狭义相对论在历史上最著名的方程式E = mc2中也阐明了能量和质量之间的关系。(“E”是能量;“m”是质量,“c”是真空中的光速——大约6.71亿英里每小时,或10.8亿公里每小时)。该理论还将空间和时间统一为一个四维的“时空”。

一旦这些被忽略的重要性质被考虑到,量子真空的引力效应将与此前人们认为的非常不同。这种差异的结果是尽管真空能非常巨大,但整体看,宇宙仍然会以极小的哈勃常数加速膨胀,而并非以前预言的巨大速率。研究结果表明,正是巨大的量子真空能驱动了宇宙加速膨胀,人们不需要引入宇宙学常数(为了符合观测,这一常数需要被精确到小数点后120位),也没有必要引入其他具有负压强的暗能量解释宇宙加速膨胀。

广义相对论对后一种观点进行了扩展,该理论解释说物质会扭曲时空,就像放在床上的保龄球会在床单上造成凹陷一样。但这并不是爱因斯坦拍一拍后脑勺就想到的,在经过了10多年的高强度思考和努力之后他才最终想到这一非凡的洞见。

他们的计算提供了一种全然不同的宇宙物理图景。在这个新图景中,人们所在的时空是在时刻剧烈变化的。时空的每一点都在剧烈地膨胀和收缩着。而宏观地看,这种膨胀和收缩几乎可以完全互相抵消,仅剩一个极微弱的净效应驱动宇宙缓慢加速膨胀。

布兰德福德说:“他不得不收回某些观点。他提出了一些观点,但后来又会收回,不过他一直在前进的道路上,”引导他的不是数学思想或数学技巧,对他引导最大的是他的物理直觉,他的这种异常强大的物理直觉在过去对他很有帮助,也没有让他失望。”

但如果时空是不断震荡的,为什么人们感觉不到呢?“这种波动发生在极其微小的尺度,甚至比一个电子还小万万亿倍。”王清涤说。

相比于把引力认为是一种作用于物体上的固有力,广义相对论将引力描述为时空弯曲的结果。(想象一下,一个球从保龄球在床上造成的斜坡上滚下来。)

“就像我们看到的海浪。” 盎鲁说,“虽然构成大海的每个原子都在高速运动着,但这并不影响海浪的传播。”

布兰德福德在3月5日发表在《科学》杂志网络版上的一篇特别评论文章中写道,这是一个强而有力的、并且非常激进的想法,但它已经经受住了近一个世纪的严格审查。

多方确认

广义相对论预测,光在经过一个巨大物体的时候会走出一条弯曲的路径,因为星团会极大地扭曲时空结构。

这一点也确实被科学家们所观察到;天文学家经常使用“引力透镜”来研究遥远的光源。事实上,在更小的宇宙范围内,这种现象甚至帮助了行星猎人寻找太阳系以外的外星世界。(有时候通过研究系外行星的恒星系统如何弯曲来自背景天体的光,我们就可以发现系外行星。)

水星绕日轨道的特殊性也支持着广义相对论。

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