
物理学有一个基本问题。
一个称为宇宙常数的单个数字桥接了量子力学的微观世界和爱因斯坦一般相对论理论的宏观世界。但是,这两个理论都不能同意其价值。
实际上,在该常数的观察值和理论预测的是,它被广泛认为是物理史上最坏的预测之间存在如此巨大的差异。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的助理教授卢卡斯·洛姆布里斯(Lucas Lombriser)引入了一种新的方式来评估阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的重力方程,以找到与其观察到的价值非常匹配的宇宙学常数的价值。他在10月10日的《期刊》上在线发表了他的方法物理字母b。
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爱因斯坦最大的失误如何变成黑暗能源
宇宙常数的故事始于一个多世纪以前广义相对论。方程式解释了物质和能量如何扭曲时空的结构,以创造重力的力量。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(Einstein)对整个宇宙应用一般相对论时,他的理论预测了一个不稳定的宇宙,可以扩展或收缩。为了迫使宇宙是静态的,爱因斯坦介绍了宇宙常数。
将近十年后,另一位物理学家埃德温哈勃,发现我们的宇宙不是静态的,而是扩展。遥远星系的光表明它们都彼此移开。这一启示说服爱因斯坦从他的田间方程式放弃宇宙学常数,因为不再需要解释不断扩展的宇宙。物理知识认为,爱因斯坦后来承认他对宇宙常数的引入是也许他最大的错误。
1998年,对遥远的超新星的观察表明,宇宙不仅在扩大,而且扩张正在加快。星系正在彼此加速,好像某些未知力量正在克服重力并将这些星系拆开。物理学家命名了这种神秘的现象暗能量,因为它的真实本质仍然是一个谜。
具有讽刺意味的是,物理学家再次将宇宙常数重新引入了爱因斯坦的田间方程,以解释黑能。在电流中宇宙学的标准模型宇宙常数称为λCDM(lambda cdm),可与暗能量互换。天文学家甚至基于对遥远的超新星的观察和波动的观测来估计其价值宇宙微波背景。尽管该值荒谬的很小(在每平方米10^-52的顺序上),但在宇宙的规模上,它足够重要,可以解释空间的加速膨胀。
Lombriser说:“目前,宇宙学常数(或暗能量)约占我们宇宙中能量含量的70%,这是我们可以从观察到的加速扩张中推断出的,即我们的宇宙目前正在进行中。但尚不理解这种常数。” “试图解释它的尝试失败了,似乎我们在理解宇宙方面缺少一些基本的东西。揭开这个难题是现代物理学的主要研究领域之一。通常,人们普遍认为,解决这一问题可能会导致我们对物理学有了更基本的了解。”
物理史上最糟糕的理论预测
宇宙学常数被认为代表物理学家所说的“真空能量”。量子场理论指出,即使在完全空的空间真空中,虚拟颗粒在进出存在并创造了能量中 - 看似荒谬的想法,但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,就会出现问题。它们的结果与观察结果不同,令人难以置信的因子为10^121(即10个,其次是120个零),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重力方程。有些甚至提出了重力的替代模型。但是,激光干涉仪重力波观测站的进一步证据Ligo)仅加强了一般相对论,并驳回了许多替代理论。这就是为什么Lombriser没有重新思考重力,而是采用了另一种方法来解决这一宇宙难题。
Lombriser说:“我提出的机制不会改变爱因斯坦的场方程。”取而代之的是,“它在爱因斯坦字段方程的顶部添加了一个其他方程式。”
这引力常数,最初使用艾萨克·牛顿的重力定律现在,爱因斯坦磁场方程的重要组成部分描述了物体之间的重力大小。自从宇宙开始以来,它被认为是物理学的基本常数之一。 Lombriser做出了一个戏剧性的假设,即该常数可以改变。
在Lombriser对一般相对性的修改中,引力常数在我们可观察到的宇宙中保持不变,但可能会有所不同。他提出了一个多元宇宙场景,我们看不见的宇宙斑块对基本常数具有不同的价值。
这种重力变化为Lombriser提供了一个附加方程,将宇宙常数与整个时空的平均物质总和相关联。在他说明了宇宙的所有星系,恒星和暗物质的估计质量之后,他可以解决该新方程式以获得宇宙常数的新价值,这与观测非常吻合。
他使用一个新的参数ωλ(欧米茄lambda)表达了由暗物质制成的宇宙的比例,他发现宇宙由大约74%的暗能量组成。这个数字与从观测值中估计的68.5%的值紧密匹配,这比量子场理论发现的巨大差异的巨大改善。
尽管Lombriser的框架可能会解决宇宙学恒定问题,但目前无法测试它。但是将来,如果来自其他理论的实验验证了他的方程式,那可能意味着我们对黑暗能源的理解并提供了解决其他宇宙奥秘的工具。
最初出版现场科学。