在宇宙尺度，檢驗愛因斯坦的理論

2023-03-31 13:39:36 2

在宇宙尺度上，愛因斯坦的理論

原理

得到檢驗。這篇文章被《可知論雜誌》

(www.knowablemagazine.org)

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文章:湯姆·齊格弗裡德

一個世紀以前，阿爾伯特·愛因斯坦成了家喻戶曉的名字。

當然，他甚至更早就是一位著名的物理學家。但是直到1919年11月，當他的引力理論的消息被證實時，幾乎整個世界才知道他——這讓伊薩克·牛頓的許多粉絲感到沮喪。

那時，《紐約時報》的頭條是「天空中所有的光都是彎曲的」，副標題是「愛因斯坦的理論贏了。」正如這篇報導所說，在日食期間，天文學家觀察了太陽附近的恆星，發現它們的位置已經像愛因斯坦預測的那樣發生了顯著的變化。一夜之間，兩個多世紀以來一直被認為不可動搖的牛頓萬有引力定律不再無懈可擊愛因斯坦廣義相對論的第一次主要測試是在1919年的日全食期間。這張圖片來自一篇科學論文，該論文報導了來自遙遠恆星的光在太陽引力的作用下彎曲，正如愛因斯坦的理論所預測的那樣。|照片來源:f·w·戴森、a·s·愛丁頓和c·戴維森

。然而，儘管愛因斯坦的引力理論獲勝，物理學家仍然懷疑廣義相對論是否有一天會面臨與牛頓定律相同的命運。儘管迄今為止愛因斯坦的引力已經通過了所有的測試，但沒有人能確定它是否適用於任何地方和任何條件。特別是，沒有人能保證整個宇宙是否被廣義相對論所主宰。為了安全起見，物理學家多年來提出了幾個相反的理論。

在愛因斯坦提出新理論後的幾十年裡沒有得到足夠的重視。直到20世紀下半葉，廣義相對論才成為宇宙理論。這個理論中的方程描述了宇宙從最初的高密度和熱爆炸到現在的快速加速膨脹的過程。今天，隨著對廣義相對論的一些更奇怪的預測——比如黑洞和被稱為引力波的空間振動——得到驗證，廣義相對論越來越受歡迎。

但是廣義相對論的成功不一定是無止境的。雖然這個理論(連同描述自然界中其他三種基本力的標準模型)可以很好地描述哈勃體積描述還包括大量的不可見物質，即所謂的暗物質，以及一種特殊的排斥力——暗能量，它充滿了整個空間。其中，暗物質的存在是基於廣義相對論是正確的假設。

"既然沒有其他(非引力)證據證明黑暗世界的存在，質疑證據中的一些基本假設是常識主要假設是廣義相對論是引力的基本理論。英格蘭牛津大學的天體物理學家佩德羅·費雷拉在最近的《天文學和天體物理學年度評論》中寫道費雷拉指出，如果你不假設廣義相對論是正確的，那麼「黑暗世界存在的證據可能意味著廣義相對論在宇宙尺度上的失敗。」

換言之，暗物質可能不存在在這種情況下，暗物質明顯存在的證據實際上可能是一個信號，這意味著愛因斯坦的理論可能不是宇宙的真正引力理論。如果是這樣的話，現有的宇宙圖景將不得不完全重新繪製。儘管如此，物理學家仍然有充分的理由相信廣義相對論首先，它解決了一度困擾天文學家的水星問題——水星的軌道與牛頓的引力預測不一致1915年，愛因斯坦的廣義相對論直到他證明他的引力理論能夠正確預測水星的實際軌道後才公之於眾。

愛因斯坦解開水星之謎的關鍵是將重力視為空間幾何產生的一種效應(或者，嚴格地說，是空間和時間的效應，因為他的早期研究表明空間和時間是不可分割的)愛因斯坦說重力不是大質量物體相互吸引的結果，而是它們周圍的空間和時間被質量扭曲的結果。天體或物體的軌道是否落入大質量物體取決於物體周圍的時空彎曲度。這與其說是對吸引力的回應，不如說是一個質量物體遵循空間和時間的幾何輪廓。

萬有引力是一種幾何學，它導致了1919年日食中一個著名預言的證實。愛因斯坦指出，太陽附近的時空彎曲會導致來自遙遠恆星的星光在經過附近時發生彎曲，從而改變從地球上看到的恆星的表觀位置。1919年5月，英國天體物理學家阿瑟·愛丁頓在西非的普林西普島進行了一次日食觀測。愛丁頓的團隊發現，幾顆恆星的位置已經發生了一定程度的變化，與愛因斯坦的計算一致，但是是牛頓定律預測值的兩倍。當日本食品集團在1919年11月公布這些結果時，一份新聞報導稱，這預示著「一種新的宇宙哲學」的到來在

2019中，EHT拍攝了一張星系M87中心的黑洞照片。這是黑洞的第一張照片。圖像中顯示的光的細節可能有助於測試愛因斯坦引力理論的適用性。|圖片來源:EHT團隊

從那以後的一個世紀裡，愛因斯坦的引力已經通過了許多測試，比如2016年報導的轟動性引力波探測然而，我們不能在所有可能的條件下檢驗這個理論。長期以來，一些專家懷疑廣義相對論在質量密度極高的地區仍然是不正確的。例如，在黑洞的中心，廣義相對論的方程不再有意義，因為它們意味著物質的密度是無限的。

出於各種原因，進入黑洞測試廣義相對論是一個糟糕的策略。然而，在地球上安全的科學家可以探索具有強大引力的區域，或許會得到一些線索。其中一個項目是使用望遠鏡網絡拍攝黑洞外緣附近的區域，即它的「事件視界」(任何落入黑洞的物體都無法返回的點)這些圖像可以提供物質如何從黑洞吸積盤(圍繞地平線的一圈物質)流入黑洞的細節。費雷拉寫道:「通過分析吸積流的結構，將有可能探測到空間和時間的結構...並驗證它是否符合廣義相對論"

引力波也可以提供極端條件下的引力細節，例如當兩個黑洞碰撞時對這種碰撞引起的時空波動的分析可能揭示廣義相對論預測中可能存在的缺陷。

0正如愛因斯坦的廣義相對論所預言的，當兩個黑洞合併時將會產生引力波|圖片來源:SXS

如果廣義相對論失敗，那麼近幾十年來提出的引力理論將準備就緒。其中大部分可以歸因於在自然界的四種基本力——萬有引力、電磁力、強核力和弱核力——上增加了一種新的力除了重力之外，其他三種已知的力都可以用標準模型來精確描述。標準模型是一組遵循量子力學要求的方程，但廣義相對論不適用於量子數學，因此物理學家們長期以來一直在做大量的研究工作，以發展一種能將引力理論與量子理論結合起來的理論。

在最近為科學作家舉辦的研討會上，賓夕法尼亞州立大學物理學家阿比·阿什卡說:「廣義相對論和量子物理學的統一被廣泛認為是基礎物理學中最突出的開放問題「

大多數專家認為，為了得到這樣一個統一的理論，有必要對廣義相對論做一些修正

修改廣義相對論的一種方法是增加一個在空間中擴散的新能量場不同位置的磁場強度可以改變廣義相對論對物質行為的預測。

一些理論家建議，與其增加時空扭曲的額外來源，不如增加額外的幾何層可能是更有效的方法。還有一些其他的建議，比如超弦理論，可以通過使用比我們熟悉的三維空間更多的空間維度來修正廣義相對論。通過數學運算，所有這些方法都可以歸因於第五種力的增加。

到目前為止，實驗和觀察都沒有發現任何與第五力有關的線索但是這些測試是在相對較小的範圍內進行的(與整個宇宙相比)在這些尺度上，廣義相對論有可能佔上風，因為在這個尺度上，其他物理效應可能掩蓋或遮蔽第五種力引起的偏離。然而，小範圍內隱藏的影響在大範圍內可能變得明顯，費雷拉寫道:「這是一個未知領域，也是我們可能找到新的物理證據的少數幾個地方之一。」「

0顯示了中子星碰撞發出的引力波的頻率譜，為測試廣義相對論提供了數據|照片來源:LSC/亞歷克斯·尼茨

廣義相對論的另一個可驗證的原理是，它要求重力以光速傳播引力波提供了一種驗證方法2017年，兩顆中子星的合併不僅向地球發射了引力波(傳播1.3億光年)，還釋放了電磁輻射，包括X射線和伽馬射線，其傳播速度與光速完全相同。電磁波和引力波的到達時間表明它們的傳播速度是相同的(精確度在1萬億分之一範圍內)，這一結果直接排除了許多對此有不同預測的引力理論。

也許有一天，通過一些更深入的測試和對其他宇宙特徵的更精確的觀察(例如宇宙年輕時產生的微波背景輻射的餘輝)，我們仍可能發現廣義相對論的缺點。這樣的結果可能會讓一些愛因斯坦的粉絲失望，但是更多的物理學家將會興奮地開啟物理學的新篇章。

費雷拉寫道:「有許多了解引力宇宙的新窗口...人們希望發現新的力量和新的現象。」然而，費雷拉說，即使愛因斯坦的理論最終被發現戰勝了宇宙尺度，那麼我們仍然可以得到一個安慰獎:「至少，我們將最終得到一個像鋼鐵一樣強大的引力理論，它已經在令人羨慕的尺度和系統下經受了一系列的考驗。」「

版權聲明:原標題為「愛因斯坦引力在宇宙尺度上的物理探測有效性」，起始於《可知雜誌》(www.knowablemagazine.org)原始連結:https://www . knowable magazine . org/article/physical-world/2020/testing-Einstein-theory-of-gravity這篇文章被《可知論》雜誌的出版商《年度評論》授權翻譯。中文內容僅供參考，所有內容以英文原版為準。