为什么爱因斯坦一定是错的：搜索引力的理论

By Andrea Giusti, Valerio Faraoni

2023/10/10

   Science & Astronomy

    爱因斯坦的引力理论------广义相对论------一个多世纪一直是非常成功的。然而，它有理论上的缺陷。

由于引力一个有质量的物体“推”在空时上的描画。(Image credit: Shutterstock)

    本文最初发表于会话（The Conversation）。该出版物将这篇文章贡献给了太空网站的专家之声：编辑意见和洞察。

    瓦勒里奥法拉奥尼（Valerio Faraoni）是主教大学物理学和天文学的教授。安德烈就斯提（Andrea Giusti） 是瑞士苏黎世联邦理工学院的博士后研究员。

    爱因斯坦的引力理论------广义相对论------一个多世纪一直是非常成功的。然而，它有理论上的缺点。这并不惊奇：该理论预测它自己在黑洞内部空时奇点上------以及大爆炸本身的失败。

    与描述物理学中其他三种基本力------电磁和强弱核相互作用------的物理理论不同，广义相对论已经仅被在弱引力中测试。

    来自广义相对论引力的偏差绝没有被在宇宙中到处排除也没有被测试。而且，按照理论物理学家，偏差一定发生。

偏差和量子力学

    按照爱因斯坦，我们的宇宙起源于一个大爆炸。其他奇点隐藏在黑洞内部：空间和时间在那里停止来有意义，而诸如能量密度和压力等量变得无限。这些发信爱因斯坦的理论在那里失败，必须被用一个更基本的理论代替。

    天真的，空时奇点应该被量子力学解决，量子力学应用到非常小的尺度上。

    量子物理学依赖两个简单的想法：点粒子没有意义，以及海森堡不确定性原理，该原理陈述人们永远不能用绝对精度知道某些量的对的值------例如，一个粒子的位置和速度。这是因为粒子不应该被认为是点而应该被认为是波，在小尺度上它们像物质的波一样行为。

    这足够来理解，一个同时拥抱广义相对论和量子物理学的理论应该没有这样的病态。然而，所有尝试来将广义相对论和量子物理学混合的必然的从爱因斯坦的理论引入偏差。

1919年日全食的照片。 (Image credit: Arthur Eddington/Philosophical Transactions of the Royal Society)

    因此，爱因斯坦的引力不能是引力的终极理论。真的，在爱因斯坦在1915年引入广义相对论后不久，以在1919年日食中验证这一理论闻名的亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）开始寻找替代方案，只是来看事情可能怎样是不一样的。

    爱因斯坦的理论迄今为止已经幸存所有的测试，准确的预测从水星轨道的进动到引力波存在的各种结果。如此，这些与广义相对论的偏差正隐藏在哪里呢？

宇宙学重要的

    一个世纪的研究已经给我们了叫λ-冷暗物质(ΛCDM) 模型的宇宙学的标准模型，在这里Λ代表要么爱因斯坦的著名的宇宙常数要么一个有类似的属性的秘密的暗能量。

    暗能量被天文学家特别的引入来解释宇宙膨胀的加速。尽管直到最近为止极端好的拟合宇宙学数据，但从理论角度ΛCDM模型是壮观的不完整和不令人满意的。

    在过去五年中，也已经面临了严重的观测紧张。决定宇宙中年龄和距离尺度的哈勃常数能被在早期宇宙中用宇宙微波背景测量，在宇宙晚期用超新星作为标准烛光测量。

    这两个测量给出不兼容的结果。甚至更重要的是ΛCDM模型的主要成分的性质------暗能量、暗物质和驱动早期宇宙膨胀的场（一个非常短暂的极快膨胀时期，为星系和星系团起源的种子）------仍然是一个秘密。

    从观测的角度，修改的引力的最令人信服的动机是1998年用Ia型超新星发现的宇宙的加速，它的光度被这种加速度变暗。基于广义相对论的ΛCDM模型假设一种极端异域的用负压渗透着宇宙的暗能量。

Ia型超新星于1998年被发现，揭示更多关于宇宙加速速度的。 (Image credit: Sloan Digital Sky Survey/NASA)

    问题是这种暗能量没有物理学的正当理由。它的性质是彻底的未知的，尽管大量的模型已经被提出。提出的对暗能量替代品是一个宇宙学常数Λ，这按照量子力学的粗略（但有问题）的计算应该是巨大的。

    然而，Λ必须相反被难以置信的精确微调到一个微小的值来适应宇宙学观测。如果暗能量存在，我们的它的本质的无知是深的令人不安的。

对爱因斯坦的理论的替代方案

    会不会是麻烦相反从错误的试图来将宇宙学观测拟合进广义相对论发生比如让一个人穿上一条太小的裤子一样呢？我们正在观测来自广义相对论的第一个偏差而神秘的暗能量只是不存在呢？

    这个想法第一次由那不勒斯大学的研究人员提出，在竞争的暗能量阵营仍然有力的同时已经获得了巨大的人气。

    我们怎样能告诉？来自爱因斯坦引力的偏差被太阳系实验、最近的引力波的观测和黑洞的近地平线图像约束。

    现在有大量关于对广义相对论的引力替代文献，追溯回到爱丁顿的1923年的早期调查。一类非常流行的替代方案是所谓的标量张量引力。它在概念上非常简单，因为它只引入爱因斯坦的引力的几何描述的一个额外的成分（对应最简单的无自旋粒子的标量场）。

    然而，该计划的后果是远非琐碎的。一个引人注目的现象是“变色龙效应”，由这些理论能在高密度环境（如在恒星中或太阳系中）中伪装它们自己成广义相对论，而在宇宙学的低密度环境中强烈的偏离广义相对论。

    作为一个结果，在第一种系统中额外的（引力）场效果上是不存在的，伪装它自己就像一个变色龙，并且仅在最大的（宇宙学）尺度上能被感觉到。

目前的形势

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    现在对爱因斯坦引力的替代品的谱已经急剧的扩大。甚至对爱因斯坦引力添加一个单个大质量标量激发（即一个自旋零粒子）并保持由此造成的方程“简单的”来避免一些已知的致命不稳定性，已经造成了远更广泛种类的的霍恩德斯基理论（Horndeski theories）和随后的推广。

    理论家们已经花费了过去的十年从这些理论提取物理后果。最近的引力波的探测已经提供一种来约束允许的爱因斯坦引力的修改的物理类别的方法。然而，仍有许多工作要做，希望是多信使天文学中的未来进展导致发现在引力是极强的地方的广义相对论的修改。

    本文在知识共享许可下转载自会话（ The Conversation ）阅读 original article.