在這裡,運用相對論有些東西是行不通的

2020-12-05 悟空科學世界

現代物理學家已經反覆驗證了愛因斯坦的廣義相對論,而且每一次都很成功。但是,科學家們仍然對這個理論的未來命運感到疑惑。問題是,這個理論是否對宇宙的所有條件和地方都適用呢?或者說這只是物理定律的一個特例?例如牛頓定律,這是愛因斯坦所描述的物理過程的變體之一。

愛因斯坦的相對論

眾所周知,愛因斯坦的理論最初是被科學界所忽視的。但在20世紀後半葉,廣義相對論才變得非常流行。今天,廣義相對論也是非常著名的。因為科學家們反覆證實了他的異乎尋常的預言。比如黑洞,或稱為引力波的空間振動。

但是,每一個故事都有一個結局。在愛因斯坦的理論中,一切都不是完全公正的。是的,相對論很好地描述了可觀測宇宙的性質。但有一個神秘的東西—其中有一些特性,即宇宙的膨脹,這表明宇宙中存在著大量看不見的物質,科學家稱為暗物質。也只有存在這種物質才能解釋天文學家所觀察到的事實。這就是你所認可相對論的原因,並堅定而自信地相信這些理論是終極真理。

想像一下,宇宙中根本就沒有暗物質,又會怎樣?如果是這樣的話,那就很清楚地證明了真正的宇宙引力理論與愛因斯坦的理論是不同的。那麼,當前的整個空間概念必須被徹底重新設計!

如果你對一個物理學家說了這句話(沒有暗物質),那麼他會瞧不起你的,因為他不會和一個質疑愛因斯坦的人說話。那麼,是什麼原因讓這些物理學家對廣義相對論的可靠性和終結性如此有信心呢?

水星之謎

曾經,相對論幫助科學家解決了一個非常複雜的問題,即:水星軌道之謎。距離太陽最近的行星不希望按照牛頓理論所預測的軌道繞太陽飛行,但愛因斯坦的理論正確地預測了這顆行星的實際軌道。

解決水星之謎的辦法就是把引力作為空間幾何學的效應,或者嚴格來說,就是時空。正如愛因斯坦的早期作品所表明的那樣,時間和空間是密不可分的。在愛因斯坦的作品中,強調引力不是物體之間的相互吸引,而是周圍時空質量扭曲的結果。物體相互旋轉或掉落在另一個巨大的物體上,這都取決於它們周圍有多少時空被彎曲,而不是對一些吸引力的反應,這簡單地遵循了幾何學的時空輪廓。

引力的這種表現導致了一個非常著名的預言。在1919年,發生的日食證實了這一點。愛因斯坦指出,太陽附近時空中的曲率會導致來自遙遠恆星的光線路徑的曲率,這將改變它們在天空中的可見位置。這個預言甚至激發了整個遠徵隊前往西非的普林西比島的準備,其負責人為英國天體物理學家亞瑟·愛丁頓。愛丁頓的研究小組發現,幾顆恆星的位置確實發生了變化,這與愛因斯坦所預測的數學值有關。

我們需要新理論

在過去的一個世紀裡,愛因斯坦的相對論經歷了許多額外的考驗。例如,探測引力波。但是,相對論在所有可能的條件下都不能被檢驗。長期以來,有人一直懷疑廣義相對論在某些條件下是行不通的。例如,在質量密度極高的球體中。在黑洞的中心,相對論的方程式是沒有任何意義的,因為它們暗示了物質的密度是無限的。

如果廣義相對論一旦被拋棄了,那麼許多相互競爭的理論將立即取代它的位置。它們中的大多數都將歸結為在引力、電磁力以及強弱核力量的自然力中。除了引力之外,「標準模型」還精確地描述了其他已知的三種力,這是一組符合量子力學要求的方程。然而,廣義相對論並沒有考慮量子數學。因此,長期以來,人們一直在進行認真的研究,用來發展一種可以結合引力和量子理論的理論。

大多數專家認為,這樣一個統一的理論需要對廣義相對論進行修改。例如,修改這個理論的一種方法就是加入一個新的能量場,而這個能量場能夠滲透到整個空間。

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