被公認為是物理學的偉大天才的愛因斯坦,傾其後半生試圖統一所有自然力而未成,他遺憾地死去,他的這一嘗試被認為是一生中最大的挫敗而載入史冊。
現在,一組理論物理學家對愛因斯坦生前的舊有意願進行了改造,愛因斯坦的遺願最終可能實現。這一新的觀念還不肯定將所有的自然力整合在一起,但可以解釋現代科學面臨的一些最緊迫的問題。
愛因斯坦做得不夠完善
人類最成功的引力理論是愛因斯坦著名的廣義相對論。愛因斯坦花了七年多的時間開發它。從表面上看,廣義相對論看似簡單。宇宙的所有戲劇性發生在稱為時空的宏偉的三維舞臺上。物質和能量——宇宙中的男主角和女主角四處奔走、述說自己的臺詞。物質和能量使時空變形,從而使其時間和空間彎曲。這種扭曲反過來告訴物質和能量如何運動和表現。這就是廣義相對論!時空與物質和能量之間這種不斷的對話就是我們所認為的引力。
愛因斯坦的理論已通過了對它的所有觀察的檢驗,這就是為什麼它能存在了一個多世紀之久。它預測並解釋了整個宇宙中的奇怪現象,包括圍繞大型物體的光的彎曲和黑洞的形成。
但是,我們知道它已經不行了。廣義相對論說應該存在黑洞,但是當試圖描述它們的奇異時,黑洞徹底崩潰了。在量子力學佔據主導地位的亞原子尺度上,沒有引力的描述。在這樣的尺度下,當引力變得既強又短時,廣義相對論無法做出預測,其數學手段崩潰了。
除此之外,天文學家注意到了相對論還不能完全解釋的兩種現象:佔有宇宙中的大多數物質的暗物質都不與光相互作用;宇宙的膨脹每天都在加速,這被認為是由迄今未知的暗能量造成的。為解釋暗物質和暗能量,有兩種選擇:要麼廣義相對論完全正確,但是我們的宇宙充滿了奇怪的新物質;要麼廣義相對論是完全錯誤的。
進行扭曲
愛因斯坦原有一個更高的目標:在一個單一的數學框架中統一所有已知的物理學定律。在他的一側有引力,由他著名的廣義相對論代表,而另一側是電磁,由麥克斯韋方程組描述,該方程描述了從磁鐵、電流到光本身的一切。
為建立這一超理論,愛因斯坦引入了廣義相對論2.0。相對論的基本版本只關心時空的曲率。但是愛因斯坦的重啟也引起了人們對時空的扭曲的關注。無需在他的原始理論中包含扭曲,因為事實證明,所需要的只是曲率來解釋引力。但是,既然愛因斯坦試圖解釋的不僅僅是引力,他還必須包括其它的。
愛因斯坦曾希望,時空的扭曲會以某種方式與電磁有關,就像時空的曲率與引力有關,但可惜,他找不到任何解決辦法,他的新理論也隨之消失。
但是其他物理學家並未放棄這個夢想,從那時起,一直在嘗試統一物理學。最成熟的概念之一是弦理論,它聲稱所有粒子都是很小很小的振動弦,宇宙有很小的而且捲曲的額外空間尺寸。
弦理論從來沒有以愛因斯坦關於時空扭曲的原始思想為基礎,但是現在物理學家正在提出這個古老的思想,即遠平行引力(teleparallel gravity)。
並行工作
「平行」這個名稱來自愛因斯坦的原作,該作品在他的幾何框架中研究了遙遠平行線的性質,探索時空的曲率和扭曲如何影響物質和能量的運動。如今,物理學家認為遠平行引力不能統一物理學,愛因斯坦本人最終也放棄了這一想法,但它可能是新引力理論的有趣候選者。
那是因為理論家一直在使用遠平行引力來解釋諸如宇宙加速膨脹、宇宙大爆炸之後宇宙膨脹的早期階段的大暴脹、以及最近的問題,例如觀察到的不同膨脹度量之間的宇宙率衝突。換句話說,遠平行引力已經被證明是可以預測的。
但是那些統一理論的早期夢想呢?遠平行引力可能是一種有趣且有用的引力新方法,但它並沒有使我們更加了解物理的基本定律。取而代之的是,物理學家一直使用弦理論的語言來完成這項工作,所以自然就引出了一個問題:聲稱是萬物的終極理論的弦理論是否以任何方式與遠平行引力有關?換句話說,如果遠平行引力有可能解決諸如暗物質和暗能量之類的這些令人煩惱的問題,那麼它是弦理論的自然結果嗎?還是這兩條相互獨立的沒有聯繫的途徑?
最近,理論物理學家已開始將遠平行引力與弦理論聯繫起來,為弦理論提供了新的動力,最近的預印本雜誌arXiv上一篇論文指出,研究人員展示了弦平行理論如何導致遠平行引力。這是一個重要的見解,因為弦理論應該能夠解釋所有物理定律,並且如果遠平行引力是廣義相對論的更好版本,並且最終證明是正確的,那麼應該能夠從數學中得出遠平行弦理論。
打個比喻,假設警察在犯罪現場發現了謀殺武器(相對論),有一個主要的嫌疑人(弦論)需與謀殺武器聯繫起來。但是對犯罪現場的新分析顯示,實際上是另一種武器(平行)導致了謀殺案。主要嫌疑人還能與新的謀殺武器有所聯繫嗎?簡短的答案:是的。
弦論還沒有結束,如果沒有提出其它更確定的數學解決方案,那麼弦論可能永遠也不會結束,因此它可以與現實建立聯繫。如果遠平行引力被證明是一種解釋廣義相對論當前缺陷的有用方法,並且可以從弦論中推導出遠平行,那麼這是實現愛因斯坦最終統一夢想遺願的又一步。
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