爱因斯坦最大的错误,可能即将被修正!物理史上最糟糕的理论预测

来源:博科园    2019/9/17 22:34:49
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物理学中有一个基本问题,一个被称为宇宙学常数的数,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,但两种理论都不能就其数值达成一致。事实上,这个宇宙学常数的观测值和理论预测之间存在巨大差异,这被广泛认为是物理史上最糟糕的预测,爱因斯坦也为之感叹!

解决这种差异可能是本世纪理论物理学最重要的目标之一。瑞士日内瓦大学理论物理学助理教授卢卡斯·隆布里瑟将发表一种评估爱因斯坦引力方程的新方法,以便找到与其观测值接近的宇宙学常数值,该研究方法将在2019年10月10日发表在《物理通讯B》期刊上。

爱因斯坦最大的错误如何变成暗能量?

宇宙学常数的故事开始于一个多世纪前,当时爱因斯坦提出了一组方程,现在被称为爱因斯坦场方程式,这成为了爱因斯坦广义相对论的框架。这些方程解释了物质和能量是如何扭曲空间和时间的结构,从而产生引力。当时,爱因斯坦和天文学家都认为宇宙的大小是固定的,星系之间的整体空间不会改变。然而,当爱因斯坦将广义相对论应用于整个宇宙时,爱因斯坦的理论预测了一个不稳定宇宙,它要么会膨胀,要么会收缩,为了“迫使”宇宙是静态的,爱因斯坦增加了宇宙学常数。

近十年后,另一位物理学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)发现,宇宙不是静止的,而是不断膨胀的。来自遥远星系的光显示它们都在相互远离。这一发现说服爱因斯坦放弃了爱因斯坦场方程式中的宇宙学常数,因为不再需要解释膨胀的宇宙。物理学的传说是:爱因斯坦后来表示,他引入宇宙常数可能是他最大的错误。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。星系之间互相加速,就好像某种未知的力量正在克服引力,将这些星系推开。

物理学家将这种神秘的现象命名为暗能量,因为它的真实性质仍然是一个谜。具有讽刺意味的是,物理学家再次将宇宙学常数重新引入爱因斯坦的场方程式,以解释暗能量。在当前的标准宇宙学模型中,称为Λcdm(Lambda CDM),宇宙学常数可以与暗能量互换。天文学家甚至基于对遥远超新星的观测和宇宙微波背景中的波动来估计宇宙学常数值。虽然这个数值小得离谱(大约每平方米10^-52),但在宇宙的尺度上,其重要性足以解释空间加速膨胀的原因。

宇宙学常数(暗能量)目前约占宇宙总能量含量的70%左右,这是可以从观察到宇宙目前正在经历加速膨胀中推断出来的,然而这个常数还没有被理解。试图解释它的努力失败了,我们在如何理解宇宙方面似乎遗漏了一些基本的东西。解开这个谜团是现代物理学的主要研究领域之一。科学家普遍认为,解决这个问题可能会让我们对物理学有一个更基本的理解。

物理史上最糟糕的理论预测

宇宙常数被认为代表物理学家所说的“真空能量”,量子场论指出,即使在完全空虚的太空真空中,虚拟粒子也会突然出现又脱离存在,并创造能量:这似乎是一个荒谬的想法,但实验上已经观察到了这一点。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,其结果与观测结果不同,其惊人的因子为10^121,这是所有物理学中理论与实验之间最大的差异。这种差异导致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,激光干涉仪引力波天文台(LIGO)对引力波的进一步证据只增强了广义相对论,并摒弃了许多这些替代理论。这就是为什么Lombriser没有重新思考引力,而是采取了不同方法来解决这个宇宙之谜的原因。所提出的机制并没有改变爱因斯坦场方程式,取而代之的是,在爱因斯坦场方程式的基础上增加了一个额外方程式。引力常数最早用于艾萨克·牛顿的引力定律,现在是爱因斯坦场方程式的重要组成部分,它描述了物体之间引力的大小,被认为是物理学的基本常数之一,自宇宙诞生以来一直保持不变。

Lombriser做出了戏剧性的假设,即这个常数可以改变。在Lombriser对广义相对论的修正中,引力常数在可观察到的宇宙中保持不变,但可能会超过它。而是提出了一种多宇宙场景,其中可能存在看不见的宇宙斑块,这些斑块对于基本常数具有不同的值。引力的这种变化给了隆布里瑟一个额外方程式,它将宇宙学常数与整个时空中物质的平均总和联系起来。计算了宇宙中所有星系、恒星和暗物质的估计质量之后,可以求解这个新方程来获得一个新宇宙学常数的值:一个与观测结果非常吻合的值。

使用一个新的参数ΩΛ(Omega Lambda)表示宇宙中由暗物质组成部分,发现宇宙大约由74%的暗能量组成。这个数值与从观测得到的68.5%估计值非常吻合,与量子场论发现的巨大差异相比,这是一个巨大的进步。尽管Lombriser的框架可能解决了宇宙学常数问题,但目前还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该方程式,这可能意味着我们对暗能量理解上的一次重大飞跃,并提供了一种解决其他宇宙奥秘的工具。

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