愛因斯坦的方程式是錯誤的?量子物理學從新定義黑洞的存在

2020-12-03 科學探索站

愛因斯坦的方程式是錯誤的? 量子物理學從新定義黑洞的存在。幾十年來,黑洞被認為是由一個巨大的恆星在核聚變反應的燃料耗盡而「死亡」後,發生引力坍縮形成的。黑洞的體積十分微小,只是太空中的一個點——就像地球被壓縮成像花生米大小的一個球體——被稱為奇點。圍繞著這個奇點的是一個無法偵測到的事物視界,又稱黑洞視界,它產生的引力場極為強勁,以至於任何物質和輻射在進入到黑洞的視界(臨界點)內,便再無力逃脫。也就是說黑洞外的物質和輻射可以通過視界進入黑洞內部,而黑洞內的任何物質和輻射均不能穿出視界。

黑洞如此匪夷所思的原因是它使兩個關於宇宙的基本理論相互矛盾。愛因斯坦的引力理論預言了黑洞的形成,但量子理論的一個基本定理指出,沒有來自宇宙的信息會永遠消失。如果將這兩種理論相結合就導致數學毫無意義,後來被稱為信息丟失悖論。

許多物理學家和天文學家認為,我們的宇宙起源於一個奇點的大爆炸。如果奇點不存在,那麼物理學家們就學要重新考慮宇宙大爆炸是否曾經發生過。

「幾十年來,物理學家們一直試圖將愛因斯坦的引力理論和量子力學理論統一起來,但這種情況下,如何將這兩種理論合併統一。」「這是一個大問題。」

愛因斯坦的廣義相對論方程預言了黑洞的存在,但在處理旋轉黑洞時,卻遭遇了難以解決的問題——在柯西視界內,愛因斯坦方程不能預測時空究竟是什麼樣子的。

愛因斯坦場方程是通過時空隨時間的變化來表達的。用數學語言描述,即對時空的初始狀態求導。為了能夠求導,時空必須是光滑的,不存在不連續的跳躍。達弗莫斯和盧克表示,儘管時空在柯西視界內存在,但這個拓展出的時空不夠光滑,不能滿足愛因斯坦場方程成立的條件。所以,即使強宇宙監督假設被證明是錯誤的,不能直接運用場方程仍然避免了輸出結果不唯一的尷尬。

天體物理學家提出了一種簡化黑洞附近可觀測效應計算的方法,愛因斯坦經典相對論的數學儀器不適用於此。這項工作的結果發表在物理評論中。根據廣義相對論,任何大質體的運動都會引起稱為引力波的時空漣漪的發生。它們最初是在2015年註冊的。引力波是大量重力物體(如黑洞)合併的回聲 - 時空區域的重力非常強,甚至光線也無法逃脫。

引力波的發現使科學家重新考慮了解釋黑洞結構和特徵並開發新黑洞的舊理論。在某些情況下,愛因斯坦的方程式證明是錯誤的。出現了幾種廣義理論,試圖理解一些基本問題,包括暗物質,暗能量和量子引力。

在等待引力波的新發現的同時,理論家們從不同的引力理論的角度分析了現有的影響。科學家們面臨著許多問題,其中之一就是計算的複雜性 - 他們需要處理大量的數據陣列和廣泛的數值集成,而且,時空不同部分的屬性可能具有多種功能。僅在愛因斯坦的理論中,「優雅」方程描述了黑洞,這是最簡單的,並且具有某些對稱特徵(即,如果一個人知道一個點的解,那麼另一個點的解與第一個點對稱,可以確定自動)。替代理論是不同的。描述黑洞需要複雜的方程式,大型團隊和超級計算機。

描述對象或現象的任何方程都需要幾個成員。每個成員對應於某個系統參數並且與相對穩定的基本特徵(例如質量或電荷)相關聯。這些聯繫可能非常複雜,專家經常試圖通過假設和近似來避免它們。 RUDN科學家在他們的工作中表明,可以簡化某些非愛因斯坦理論的求解過程。通過比較預期結果和觀察結果,他們發現扭曲優雅對稱性的某些成員的影響是如此之小,可以忽略不計。通過將早期系統特徵輸入方程並計算其預期的當前值,很容易驗證這些簡化理論是否正確描述了空間對象。在描述其位置,輻射或其他可測量參數的結果之後,應將其與實際數據進行比較。如果值相似,則簡化方程被認為是正確的方程。

RUDN天體物理學家概述了解決另一個問題的方法。 我們可能還缺乏真正的萬有引力理論。 在這種情況下,當描述黑洞時,理論家必須使用考慮每個特定理論的參數的方程式。 像這樣的方程也需要複雜的計算,但新方法可以使它們變得相當簡單。「我們的工作成果不僅可以用於黑洞過程的研究,還可以用於驗證理論預測和愛因斯坦的一般理論,」羅曼科諾普利總結說,他是該項工作的合著者和研究助理。 RUDN萬有引力與宇宙學研究所。

管理黑洞的法則與我們對經典或量子物理學的了解不同。 而且,目前還不清楚我們是否正確理解它們。 研究黑洞將有助於研究人員發現普遍的發展模式並預測宇宙的命運。

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