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引力的新配方可以统一爱因斯坦的广义相对论与量子物理学并探索黑暗宇宙

(2025-03-12 13:08:42)

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引力的新配方可以统一爱因斯坦的广义相对论与量子物理学并探索黑暗宇宙

By Robert Lea

published 2 days ago

如果引力从熵发生，科学家们可以统一爱因斯坦的广义相对论和量子领域同时揭示暗物质和暗能量。

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一幅插图显示一个无序的宇宙。引力能从熵发生吗？(Image credit: Robert Lea (created with Canva))

一种新的引力配方可以帮助解决宇宙的一些最大秘密。它提示“量子引力”的概念可能源自熵，可能的解决被难以捉摸的暗宇宙提出的难题——如果真的，这一新颖理论也可能最终统一阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论和量子领域。

自20世纪初以来，爱因斯坦的广义相对论一直是我们有的对引力如何运作的最佳描述。然而，刚好围绕当爱因斯坦提出广义相对论时科学家们也发展了量子力学的基础。从那时起，这两种理论已经被测试、修订和改进，经受住时间的考验并赢得了科学界中怀疑论者的支持。不过有一个问题——一个大问题。它们不能一起工作。

随这两种理论已经被完善，它们继续蔑视来统一它们的尝试。一个即包含广义相对论又包含量子物理学的“一切的理论”已经挫败了像斯蒂芬·霍金甚至爱因斯坦本人这样伟大的思维的努力。

这里一个主要的障碍考虑没有“量子引力”的理论的事实。

但这就是伦敦玛丽女王大学应用数学教授比安科尼（Ginestra Bianconi）进来的地方。

她提出一个会看到量子引力源自所谓的“量子相对熵” 的框架，，一个测量两个量子态是多不相似的概念。

广义相对论和暗宇宙

广义相对论发展于1915年提示引力发生是因为有质量的体造成空时的织造（空间和时间的四维统一）来扭曲。一个物体的质量越大，空时的扭曲就越极端，因此该物体的引力影响就越强大。

这个已经被一次又一次验证，从而使广义相对论能够取代牛顿的引力理论成为宇宙尺度上宇宙的最佳描述。

然而，广义相对论不能解释一切。

例如，比普通物质更重五倍的神秘物质暗物质以及宇宙中驱动它加速扩张的未知成分暗能量都没有被广义相对论解释。

这是一个大问题，因为暗能量占宇宙中总物质和能量的68%，暗物质占另外27%左右。这意味着“暗宇宙”约占宇宙的物质能量预算的95%，因此我们能用广义相对论舒适描述的“物质”仅占宇宙中能量和物质的5%。

然后，有爱因斯坦的引力理论不会与量子物理学“玩的很好”的事实。

一张显示宇宙的物质能量收支的饼图。(created with Canva))

新的框架——或者引力的“配方”——如果你将从广义相对论采取空时度量，广义相对论基于事件之间的距离和间隔描述空间和时间的几何形状，像一个叫一个算子的数学实体一样处理它。

在量子物理学中算子对通过物理因素发生的量子态进行转换。这个基于广义相对论的算子导致一个新的“熵行动”并修改爱因斯坦方程。

在低能量和空间有很小曲率的区域中，因此引力很小，这些方程复制广义相对论的那些。

爱因斯坦的广义相对论预测围绕地球的空时不仅被翘曲，还会被行星的旋转扭曲。 (Image credit: NASA)

不过这项新的研究更进一步。它预测一个小的正值宇宙常数的浮现。这很重要，因为它的值比其他当前理论做的更好与宇宙在暗能量影响下加速扩张的观测对齐。

除此之外，某些一种叫“G场”的东西从这一理论浮现，可以解释暗物质的引力影响。

比安科尼在一份声明中说，“这项工作提出量子引力有一种熵起源，并提示G场可能是暗物质的一个候选。此外，由我们的模型预测的浮现的宇宙常数可以帮助解决宇宙的扩张的理论预测和实验观测之间的差异” 。