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“爱因斯坦最大的失误”最终可能被修正

宇宙常数已经困扰着物理学家长达一个多世纪。

插图:星系弯曲时空结构(绿色)和暗能量(紫色)的平滑效果(主导了引力的影响)

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,两种理论都无法就其具体数值达成共识。

实际上,该常数的观测值与理论预测值之间存在巨大差异,因此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。他在《Physics Letters B》杂志上在线发表了他的方法。

爱因斯坦最大的失误是如何变成暗能量的

关于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组方程,成为他的广义相对论的框架,现在称为爱因斯坦场方程。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,可能会膨胀也可能会收缩。为了迫使宇宙静止,爱因斯坦加入了宇宙常数。

近十年后,另一位物理学家埃德温·哈勃发现我们的宇宙不是静止的,而是在膨胀的。来自遥远星系的光线表明它们都彼此远离。这个发现说服爱因斯坦放弃了他的场方程中的宇宙常数,因为它不再需要解释一个不断扩大的宇宙。物理学史话这样流传:爱因斯坦后来承认,他对宇宙常数的介绍可能是他最大的错误。

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。星系正在彼此加速远离,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。

讽刺的是,物理学家再次将宇宙常数重新引入爱因斯坦的场方程中,以解释暗能量。在当前宇宙学标准模型中,即 ΛCDM (Lambda CDM),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的观测和宇宙微波背景的波动来估算其数值。尽管这个数值非常小(每平方米10^ -52的数量级),但从整个宇宙角度看,它的意义足以解释空间的加速膨胀。

“这个宇宙常数(或暗能量)目前约占宇宙能量的70%,这是我们从观察到的宇宙加速膨胀中可以推断出的。但是,这一常数尚无法理解。”伦勃里瑟说,“人们试图解释它,但都失败了,而且在我们如何理解宇宙方面,似乎缺少一些基础的东西。揭开这个难题,是现代物理学的主要研究领域之一。人们普遍预计,解决这个问题,可能会引导我们我们对物理学产生更基本的了解。”

物理学史上最糟糕的理论预测

宇宙常数,被认为代表物理学家所说的“真空能量”。量子场论指出,即使在完全虚空的真空空间中,虚拟粒子也会突然出现、湮灭、产生能量,这似乎是一个荒谬的说法,但确实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,出现了一个问题。他们的结果与观察结果相差了令人难以置信的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)提供的有关于引力波的进一步证据,仅增强了广义相对论,并排除了许多其他替代性的理论。这就是伦勃里瑟不重新考虑重力,而是采用了不同的方法来解决这个宇宙难题的原因。

“我提出的机制不会修改爱因斯坦的场方程,”伦勃里瑟说。 相反,“它在爱因斯坦的场方程之上添加了一个附加方程。”

引力常数,描述物体之间引力的大小,最早用于艾萨克·牛顿的引力定律中,现在是爱因斯坦场方程的重要组成部分。它被认为是物理学的基本常数之一,自宇宙创世以来就永远不变。伦勃里瑟做出了一个戏剧性的假设,即该常数可以更改。

在伦勃里瑟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,但超过这个范围可能会有所变化。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部落,它们有着不同的基本常数值。

引力的这种变化为伦勃里瑟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。在他考虑上宇宙中所有星系、恒星和暗物质的估计质量之后,他可以求解该新方程,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。 这个数字与观察到的68.5%的估值非常接近——大大改善了由量子场论所计算出的巨大差距。

尽管伦勃里瑟的框架可能会解决宇宙常数问题,但目前尚无测试方法。但是将来,如果其他理论的实验验证他的方程式,那可能意味着,我们对暗能量的理解有了重大飞跃,并提供了解决其他宇宙奥秘的工具。

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