重力理論將指導(dǎo)科學(xué)界新方向？

廣義相對論的新應(yīng)用

在未來的幾十年里，完成由愛因斯坦所最先提出，但一直未盡的理論可能會(huì)成為很長一段時(shí)間里科學(xué)界最重要的事情。

雖然世界上只有少部分人能夠充分理解廣義相對論，但它仍給予了愛因斯坦享譽(yù)全球的聲譽(yù)以及來自Time雜志“本世紀(jì)最具影響力人物之一”的褒獎(jiǎng)。上周在班加羅爾舉行的弦會(huì)議上，來自物理界的權(quán)威學(xué)者們一起參加了一個(gè)特殊環(huán)節(jié)，慶祝偉大的重力理論提出一百周年。

一個(gè)科學(xué)家在會(huì)議上對一個(gè)理論物理學(xué)家能成為“本世紀(jì)最具影響力人物”感到自豪。就在物理學(xué)家們歡慶愛因斯坦的這個(gè)偉大成就的同時(shí)，他們也在努力突破這項(xiàng)理論，測試它的極限，并將其延伸并替換以期應(yīng)用到新的領(lǐng)域去。

在總理莫迪面前擺著的眾多提議之間，有一項(xiàng)100億盧比的提案，要求建立激光干涉引力波觀測臺(tái)（LIGO），一個(gè)極其復(fù)雜的用于偵察愛因斯坦理論中預(yù)測存在的引力波的設(shè)備。

印度的LIGO將成為全球引力波探測網(wǎng)中的一部分，并在一定時(shí)候作為宇宙觀測的新窗口。某些物理學(xué)家認(rèn)為，即使引力波的存在已經(jīng)被證實(shí)，但對其直接的觀察仍然能夠?qū)ΜF(xiàn)有的物理理論產(chǎn)生重大影響。

幾個(gè)月之后，在美國的兩個(gè)升級版LIGO將會(huì)進(jìn)入其第一次觀察期?！拔覀兊拿舾卸缺仁兰o(jì)處十年的時(shí)候高得多?！毖┏谴髮W(xué)引力波小組的物理學(xué)教授Peter Saulson說。

LIGO實(shí)驗(yàn)將長期進(jìn)行下去。同時(shí)，兩個(gè)天文臺(tái)在歐洲正在更新中，它們將加入已經(jīng)升級了的LIGO（也被稱作高新激光干涉儀引力波天文臺(tái)）一起參與對引力波的探測。歐洲科學(xué)家們在計(jì)劃未來更宏偉的目標(biāo)。

歐洲空間局在研發(fā)一個(gè)計(jì)劃于2020年發(fā)射的探測器。這個(gè)叫“歐幾里得”的探測器將勾勒出黑暗宇宙的結(jié)構(gòu)，一個(gè)我們只知存在但無法觀測的部分。實(shí)際上，我們現(xiàn)在可以觀測到的也僅僅是4%的宇宙。

當(dāng)這些實(shí)驗(yàn)將最大限度地測試廣義相對論的同時(shí)，理論學(xué)家們也在嘗試對愛因斯坦的理論進(jìn)行延伸或修改以便將其應(yīng)用于看似不相關(guān)的領(lǐng)域。其中一個(gè)奇特的領(lǐng)域便是黑洞，這個(gè)理論所預(yù)言存在的坍塌的超大質(zhì)量星。愛因斯坦的理論將與這些恒星一起坍塌，因?yàn)槔碚摫旧硖岢隽艘粋€(gè)擁有無限密度的奇點(diǎn)的可能性。

奇點(diǎn)背后的數(shù)學(xué)并不復(fù)雜，但沒有人知道它物理上的意義。物理學(xué)家們對于在特定時(shí)間一個(gè)物體撞向恒星表面會(huì)發(fā)生什么是無法給出一個(gè)精確的預(yù)測的。但有了愛因斯坦的引力理論，這都將不是問題。

“經(jīng)典的引力理論遭遇奇點(diǎn)問題，”印度理工學(xué)院馬德拉斯分銷的物理系副教授L Sriramkumar說，“它需要通過量子引力理論被解決?！?/p>

現(xiàn)代物理的支柱

在愛因斯坦發(fā)表廣義理論的兩年后，他引進(jìn)了一個(gè)現(xiàn)在被稱為宇宙學(xué)常數(shù)的東西，調(diào)整了他的公式。這樣一來，他便可以使宇宙在引力的牽引之下保持穩(wěn)定。在那個(gè)時(shí)候來，科學(xué)家們認(rèn)為宇宙是穩(wěn)定的。后來，我們發(fā)現(xiàn)它其實(shí)一直在膨脹，而且愛因斯坦將宇宙學(xué)常數(shù)稱為他的最大錯(cuò)誤。

最近，宇宙學(xué)常數(shù)又因?yàn)樯衩氐陌的芰吭诳臻g中理應(yīng)是將星系越來越快地分開的問題而再度被提及。沒人知道為什么。目前，解決這個(gè)問題是整個(gè)科學(xué)界最大的努力方向。

更大的問題是愛因斯坦的引力理論與量子力學(xué)（現(xiàn)代物理中的另一個(gè)描述小規(guī)模物質(zhì)的理論支柱）的統(tǒng)一。量子力學(xué)在解釋物質(zhì)的行為上十分成功，也被驗(yàn)證了無數(shù)次。但是，廣義相對論與量子力學(xué)卻是互相矛盾的。

兩者可能都是一個(gè)尚未被研究出來的更為廣義的理論的一部分。物理家們認(rèn)為引力理論與量子力學(xué)的統(tǒng)一是理論物理界最大的難題。這些是重要的問題，而且他們的解決方法將會(huì)更新我們對宇宙的認(rèn)知，就像愛因斯坦在撰寫他的理論的時(shí)候一樣。

當(dāng)他開始研究廣義相對論的時(shí)候，愛因斯坦已經(jīng)用一些重要發(fā)現(xiàn)改變了物理界的進(jìn)程。在1905年，他發(fā)現(xiàn)了著名的E=MC2方程。他撰寫了狹義相對論，一個(gè)關(guān)于時(shí)間與空間關(guān)系的理論。愛因斯坦解釋了布朗運(yùn)動(dòng)（物質(zhì)在液體表面的蠕動(dòng)），從而證明了原子和分子的存在。他發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，而且以此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

但更艱巨的任務(wù)還在前頭。早在愛因斯坦之前兩個(gè)世紀(jì)，艾薩克牛頓做出了一個(gè)驚人的突破。他發(fā)現(xiàn)落下的蘋果和轉(zhuǎn)動(dòng)的星球是由同一原理指導(dǎo)的，也就是我們現(xiàn)在所熟知的平方反比引力公式。

牛頓能夠計(jì)算兩個(gè)分開物體之間的力，但他無法解釋這個(gè)力是如何跨越距離產(chǎn)生的。在他1905年的突然出版后，愛因斯坦開始研究重力。他還是一個(gè)默默無聞的專利事務(wù)員，只在閑暇時(shí)間研究物理。

接下來十年，愛因斯坦撰寫了一個(gè)沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，純粹由公式推導(dǎo)出來的最復(fù)雜最美麗科學(xué)理論之一。“即使它沒有應(yīng)用的意義，”T Padmanabhan,一個(gè)來自浦那的因特大學(xué)天文與天體物理中心的教授說，“廣義相對論可以說是一直以來最集大成的智慧結(jié)晶之一?！?/p>

但事實(shí)上這個(gè)理論有它自己的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。我們的全球定位系統(tǒng)（GPS）離開了愛因斯坦的理論將無法運(yùn)行。沒有廣義相對論，我們也不能夠了解宇宙深處。廣義相對論的作用遠(yuǎn)比愛因斯坦當(dāng)時(shí)認(rèn)為的大得多。

愛因斯坦的想法是引力是空間與時(shí)間的一個(gè)特性，也就是他自己所統(tǒng)一的兩個(gè)存在。一個(gè)物體無論在宇宙何處都將扭曲其周圍的時(shí)空。物質(zhì)越大，扭曲越嚴(yán)重。這個(gè)扭曲將使其他物質(zhì)向第一個(gè)物體靠攏，就像一個(gè)擺在圓碗邊緣的物體會(huì)向碗中心劃去一樣。因?yàn)樾乔蛞恢痹谶\(yùn)動(dòng)，所以他們會(huì)持續(xù)性的向中間靠攏，在一個(gè)近圓軌跡里滑行，就像一個(gè)摩托車手在網(wǎng)格球體里一樣。

在這個(gè)理論里，引力并不是一種力，而是時(shí)空的一個(gè)特性。愛因斯坦的理論給出了一些仍待證明的預(yù)測。在1919年，當(dāng)天文學(xué)家用月食驗(yàn)證了星光的彎曲與愛因斯坦的猜測相符，他立刻成為了一位世界名人

宇宙的擴(kuò)張

幾年來，他的理論在物理學(xué)的進(jìn)程上有著重大影響，其中一個(gè)便是宇宙學(xué)的促成?！霸趷垡蛩固怪埃钪鎸W(xué)只在宗教與哲學(xué)中被討論，”位于圣塔巴巴拉卡弗里理論物理研究所的教授及前局長David Gross說，“在愛因斯坦后，它便成為了物理學(xué)的討論范圍。”

1929年，埃德溫哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙正在擴(kuò)張，這被認(rèn)為是歷史上最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。如果更有勇氣一些的話，愛因斯坦可能早就已經(jīng)從他自己的理論中推導(dǎo)出來了。“愛因斯坦臨陣退縮了，”Padmanabhan說，“但是廣義相對論自身就有著預(yù)測宇宙擴(kuò)張的能力?！倍兰o(jì)末，科學(xué)家們有了另一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)：宇宙的膨脹正在加速。星系在以更快的速度分離，并且有一天將會(huì)因?yàn)轱w離太快而導(dǎo)致所有物質(zhì)被撕碎。

世界各地都在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，想知道是什么導(dǎo)致了膨脹。歐幾里得探測器會(huì)從遠(yuǎn)距星系地?cái)_亂中嘗試預(yù)測暗能量和同樣神秘的暗物質(zhì)。它也會(huì)從成團(tuán)浮動(dòng)的星系中尋找暗能量和宇宙學(xué)常數(shù)地線索。尋找引力波又是另一個(gè)考驗(yàn)了。尋找引力波自身可能并不會(huì)帶來驚喜，但檢測到的變化可能會(huì)給出宇宙新秩序地線索。

引力，與引力波相關(guān)的的粒子，并不應(yīng)該有質(zhì)量。那萬一他們被發(fā)現(xiàn)是有質(zhì)量的，就像之前的難以察覺的中微子一樣呢？這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)表明中微子其實(shí)是有質(zhì)量的打開了粒子物理學(xué)的新紀(jì)元，因?yàn)橄惹八徽J(rèn)為是不能有質(zhì)量的?！岸ㄆ跍y量引力波可能會(huì)在數(shù)據(jù)里展現(xiàn)出前后不一從而進(jìn)行廣義相對論的調(diào)整?！盉ala Lyer,位于班加羅爾的國際理論物理中心的教授說到。

在未來的幾十年，完成愛因斯坦所開始而未盡的事情很長一段時(shí)間都會(huì)是科學(xué)界最重要的任務(wù)。愛因斯坦自己也期待著他的未盡事業(yè)能夠像這樣發(fā)展?！皭垡蛩固拐J(rèn)為自己的理論是一個(gè)墊腳石，”David Gross說，“他不認(rèn)為這是永恒的?！比魏我粋€(gè)發(fā)現(xiàn)了能承接愛因斯坦理論的新理論的人都有可能變得跟愛因斯坦一樣著名。

BY: Hari Pulakkat

FY: 曦

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