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科学家:继承爱因斯坦遗愿,实现爱因斯坦梦想

被公认为是物理学的伟大天才的爱因斯坦,倾其后半生试图统一所有自然力而未成,他遗憾地死去,他的这一尝试被认为是一生中最大的挫败而载入史册。

科学家:继承爱因斯坦遗愿,实现爱因斯坦梦想

现在,一组理论物理学家对爱因斯坦生前的旧有意愿进行了改造,爱因斯坦的遗愿最终可能实现。这一新的观念还不肯定将所有的自然力整合在一起,但可以解释现代科学面临的一些最紧迫的问题。

爱因斯坦做得不够完善

人类最成功的引力理论是爱因斯坦著名的广义相对论。爱因斯坦花了七年多的时间开发它。从表面上看,广义相对论看似简单。宇宙的所有戏剧性发生在称为时空的宏伟的三维舞台上。物质和能量——宇宙中的男主角和女主角四处奔走、述说自己的台词。物质和能量使时空变形,从而使其时间和空间弯曲。这种扭曲反过来告诉物质和能量如何运动和表现。这就是广义相对论!时空与物质和能量之间这种不断的对话就是我们所认为的引力。

爱因斯坦的理论已通过了对它的所有观察的检验,这就是为什么它能存在了一个多世纪之久。它预测并解释了整个宇宙中的奇怪现象,包括围绕大型物体的光的弯曲和黑洞的形成。

但是,我们知道它已经不行了。广义相对论说应该存在黑洞,但是当试图描述它们的奇异时,黑洞彻底崩溃了。在量子力学占据主导地位的亚原子尺度上,没有引力的描述。在这样的尺度下,当引力变得既强又短时,广义相对论无法做出预测,其数学手段崩溃了。

除此之外,天文学家注意到了相对论还不能完全解释的两种现象:占有宇宙中的大多数物质的暗物质都不与光相互作用;宇宙的膨胀每天都在加速,这被认为是由迄今未知的暗能量造成的。为解释暗物质和暗能量,有两种选择:要么广义相对论完全正确,但是我们的宇宙充满了奇怪的新物质;要么广义相对论是完全错误的。

进行扭曲

爱因斯坦原有一个更高的目标:在一个单一的数学框架中统一所有已知的物理学定律。在他的一侧有引力,由他著名的广义相对论代表,而另一侧是电磁,由麦克斯韦方程组描述,该方程描述了从磁铁、电流到光本身的一切。

为建立这一超理论,爱因斯坦引入了广义相对论2.0。相对论的基本版本只关心时空的曲率。但是爱因斯坦的重启也引起了人们对时空的扭曲的关注。无需在他的原始理论中包含扭曲,因为事实证明,所需要的只是曲率来解释引力。但是,既然爱因斯坦试图解释的不仅仅是引力,他还必须包括其它的。

科学家:继承爱因斯坦遗愿,实现爱因斯坦梦想

爱因斯坦曾希望,时空的扭曲会以某种方式与电磁有关,就像时空的曲率与引力有关,但可惜,他找不到任何解决办法,他的新理论也随之消失。

但是其他物理学家并未放弃这个梦想,从那时起,一直在尝试统一物理学。最成熟的概念之一是弦理论,它声称所有粒子都是很小很小的振动弦,宇宙有很小的而且卷曲的额外空间尺寸。

弦理论从来没有以爱因斯坦关于时空扭曲的原始思想为基础,但是现在物理学家正在提出这个古老的思想,即远平行引力(teleparallel gravity)。

平行工作

“平行”这个名称来自爱因斯坦的原作,该作品在他的几何框架中研究了遥远平行线的性质,探索时空的曲率和扭曲如何影响物质和能量的运动。如今,物理学家认为远平行引力不能统一物理学,爱因斯坦本人最终也放弃了这一想法,但它可能是新引力理论的有趣候选者。

那是因为理论家一直在使用远平行引力来解释诸如宇宙加速膨胀、宇宙大爆炸之后宇宙膨胀的早期阶段的大暴胀、以及最近的问题,例如观察到的不同膨胀度量之间的宇宙率冲突。换句话说,远平行引力已经被证明是可以预测的。

但是那些统一理论的早期梦想呢?远平行引力可能是一种有趣且有用的引力新方法,但它并没有使我们更加了解物理的基本定律。取而代之的是,物理学家一直使用弦理论的语言来完成这项工作,所以自然就引出了一个问题:声称是万物的终极理论的弦理论是否以任何方式与远平行引力有关?换句话说,如果远平行引力有可能解决诸如暗物质和暗能量之类的这些令人烦恼的问题,那么它是弦理论的自然结果吗?还是这两条相互独立的没有联系的途径?

科学家:继承爱因斯坦遗愿,实现爱因斯坦梦想

最近,理论物理学家已开始将远平行引力与弦理论联系起来,为弦理论提供了新的动力,最近的预印本杂志arXiv上一篇论文指出,研究人员展示了弦平行理论如何导致远平行引力。这是一个重要的见解,因为弦理论应该能够解释所有物理定律,并且如果远平行引力是广义相对论的更好版本,并且最终证明是正确的,那么应该能够从数学中得出远平行弦理论。

打个比喻,假设警察在犯罪现场发现了谋杀武器(相对论),有一个主要的嫌疑人(弦论)需与谋杀武器联系起来。但是对犯罪现场的新分析显示,实际上是另一种武器(平行)导致了谋杀案。主要嫌疑人还能与新的谋杀武器有所联系吗?简短的答案:是的。

弦论还没有结束,如果没有提出其它更确定的数学解决方案,那么弦论可能永远也不会结束,因此它可以与现实建立联系。如果远平行引力被证明是一种解释广义相对论当前缺陷的有用方法,并且可以从弦论中推导出远平行,那么这是实现爱因斯坦最终统一梦想遗愿的又一步。

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