“爱因斯坦最大的失误”可能终于得到解决

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物理学中有一个基本问题。

一个称为宇宙常数的数字将量子力学的微观世界和爱因斯坦的广义相对论的宏观世界联系起来。但是,两种理论都无法达成共识。

实际上,该常数的观测值与理论预测的值之间存在巨大差异,该理论被广泛认为是物理学史上最糟糕的预测。解决差异可能是本世纪理论物理学的最重要目标。

瑞士日内瓦大学理论物理学助理教授卢卡斯·洛姆布里瑟(Lucas Lombriser)提出了一种新的评估爱因斯坦引力方程的方法,以找到与其观测值紧密匹配的宇宙常数值。

爱因斯坦最大的失误是如何变成暗能量的

宇宙常数的故事始于一个多世纪以前,当时爱因斯坦提出了一系列方程,现在称为爱因斯坦引力场方程,成为他的广义相对论的框架。这些方程式解释了物质和能量如何扭曲空间和时间的结构以产生重力。当时,爱因斯坦和天文学家都同意宇宙的大小是固定的,并且星系之间的整体空间没有改变。但是,当爱因斯坦将广义相对论应用于整个宇宙时,他的理论预测到一个不稳定的宇宙会膨胀或收缩。为了迫使宇宙静止,爱因斯坦加入了宇宙常数。

埃德温·哈勃(Edwin Hubble)

大约十年后,另一位物理学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)发现我们的宇宙不是静止的,而是膨胀的。来自遥远星系的光线表明它们都彼此远离。这个发现说服了爱因斯坦放弃了他的方程中的宇宙常数,因为它不再需要解释一个不断扩大的宇宙。爱因斯坦后来承认,对物理学的怀疑是,他对宇宙学常数的引入也许是他最大的失误。

1998年,对遥远超新星的观测表明,宇宙不仅在膨胀,而且还在加速膨胀。星系正在彼此加速,好像某种未知的力正在克服重力并将这些星系推开一样。物理学家称这种神秘现象为暗能量,因为其真实性质仍然是个谜。

具有讽刺意味的是,物理学家再次将宇宙常数重新引入爱因斯坦的方程中,以解释暗能量。在当前的宇宙学标准模型 ΛCDM(Lambda CDM)中,宇宙常数可与暗能量互换。天文学家甚至根据遥远的超新星观测和宇宙微波背景的波动估计了它的数值。尽管数值非常小(每平方米10 ^ -52的数量级),但在整个宇宙范围内,它足以说明空间加速膨胀的意义。

人们认为宇宙常数代表物理学家所说的“真空能”。量子场论指出,即使在完全空的宇宙真空中,虚拟粒子也会突然出现并消失而且会产生能量,这似乎是荒谬的想法,但是已经通过实验观察到了。当物理学家试图计算其对宇宙常数的贡献时,就会出现问题。他们的结果与观察结果相差一个令人难以置信的10 ^ 121(即10后跟120个零),这是所有物理学中理论与实验之间最大的差异。

这种差异使一些物理学家怀疑爱因斯坦的原始引力方程。有些甚至提出了替代性的引力模型。但是,激光干涉仪引力波天文台(LIGO)的进一步证据反而证实了广义相对论,并摒弃了许多这些替代理论。这就是为什么科学家不用重新考虑重力,而是采用了另一种方法来解决这个宇宙难题。

该重力常数是牛顿的万有引力和爱因斯坦引力方程的一个重要组成部分,描述物体间的引力的大小。它被认为是物理学的基本常数之一,自宇宙开始以来就永远不变。科学家做出了一个戏剧性的假设,即该常数可以更改。

在隆伯瑞斯对广义相对论的修改中,引力常数在我们可观测的宇宙中保持不变,但可能会有所变化。他提出了一个多元宇宙的场景,其中可能存在我们看不见的宇宙斑块,它们的基本常数值不同。

引力的这种变化为隆伯瑞斯提供了一个附加方程,该方程将宇宙常数与整个时空中物质的平均和联系起来。在他考虑了宇宙中所有星系,恒星和暗物质的估计质量之后,他可以求解新方程,从而获得宇宙常数的新值,一个与观测值非常吻合的数值。

他使用一个新的参数ΩΛ(ωλ)来表达由暗物质构成的宇宙的一部分,他发现宇宙大约由74%的暗能量组成。这个数字非常接近根据观察估计的68.5%的值,这是对量子场理论所发现的巨大差异的巨大改进。

尽管隆伯瑞斯的框架可以解决宇宙常数问题,但目前尚无方法可以对其进行验证。但是将来,如果实验验证了他的方程式,那可能意味着我们对暗能量的理解有了重大飞跃,并提供了解决多元宇宙奥秘的科学理论。


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