为物理学中最糟糕的预测,爱因斯坦真的错了吗?

来源:博科园    2019/9/16 2:58:24
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博科园:本文为物理学类

一个世纪前爱因斯坦广义相对论中提出的“宇宙学常数”是物理学家的“眼中钉”,该常数理论预测与基于天文观测结果之间的差值约达10^121个数量级。这一预测被认为是整个物理史上最糟糕的预测,但这并不令人惊讶。在发表在《物理快报B》上的一项研究中,瑞士日内瓦大学科学家提出了一种似乎可以解决这种不一致的方法。研究的最初想法是接受另一个常数——牛顿的万有引力G,它也是广义相对论方程的一部分,可能会有所不同。

科学界已经积极地接受了这一潜在的重大突破,但仍然需要继续进行,以便产生可以通过实验证实(或驳斥)的预测。日内瓦大学科学院理论物理系助理教授卢卡斯·隆布里瑟说:研究包括对广义相对论方程一种新的数学操作,最终使关于宇宙学常数的理论和观测相协调成为可能。一个多世纪前,爱因斯坦在广义相对论方程中引入了宇宙学常数Λ(λ)。爱因斯坦需要这个常数来确保理论与所认为是静态的宇宙相兼容。

然而,在1929年,另一位物理学家埃德温·哈勃发现,星系都在相互远离,这是宇宙实际上正在膨胀的迹象。在了解到这一点后,爱因斯坦后悔自己引入了宇宙学常数,在他眼里这个常数已经变得毫无用处,爱因斯坦甚至把它描述为“我一生中最大的错误”。1998年,对遥远超新星的精确分析提供了证据,证明宇宙膨胀,不是恒定的,实际上是在加速,就好像一种神秘力量正以越来越快的速度膨胀着宇宙。

为了描述物理学家所说的“真空能量”(一种性质未知的能量),宇宙学常数再次被调用,是宇宙加速膨胀的原因。对超新星,特别是宇宙微波背景(来自天空所有的微波辐射,被认为是宇宙大爆炸留下的)最精确的观测,使得测量这个宇宙学常数的实验值成为可能。结果是一个非常小的数字(1.11×10^-52 m^-2),但仍然大到足以产生所需的加速膨胀效果。问题是宇宙学常数理论值有很大的不同。

这个值是使用量子场论获得:这一点认为,在空间的每一个点和任何时刻,都会产生和破坏非常小规模的粒子对,几乎是瞬间的。这种“真空涨落”能量(一种非常真实的现象)被解释为对宇宙学常数的贡献。但在计算其值时,得到了一个巨大的数值(3.83×10^+69 m^-2),这与实验值很大程度上不相容。这一估估测表了科学界理论与实验之间迄今获得的最大差距(10^121倍)。这个宇宙学常数问题是当前理论物理学中“最热门”的课题之一。

很多科学家都在从四面八方的研究广义相对论方程式,试图挖掘出解决这个问题的思想。虽然已经提出了几种策略,但目前还没有达成普遍共识。Lombriser教授在几年前就有了一个最初的想法,就是在爱因斯坦方程中出现的万有引力G(牛顿)常数中引入一个变量。这意味着宇宙(G=6.67408×10^-11m^3/kgs2)成为无数不同理论可能性中的一个特例。在无数假设之后,隆布里瑟教授的数学方法意味着可以计算参数ΩΛ(Omega Lambda),这是表达宇宙常数的另一种方式,但更容易操作。

这个参数还指定宇宙中由暗能量组成的当前部分(其余部分由物质组成)。这位日内瓦物理学家获得的理论值为0.704,即70.4%。这个数字与迄今为止获得的最好实验估计值0.685或68.5%非常一致,表明这比10^121的差异有了巨大改善。这一初步的成功现在需要进行进一步分析,以验证Lombriser提出的新框架,是否可以用来重新解释或澄清宇宙学的其他奥秘。这位物理学家已经被邀请在科学会议上介绍和解释他的方法,这反映了科学社区所表现出的兴趣。

博科园|研究/来自:日内瓦大学参考期刊《物理快报B》DOI: 10.1016/j.physletb.2019.134804博科园|科学、科技、科研、科普

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